脑组织压缩力学性能和本构模型

目的 研究脑组织在不同应变率下的压缩力学性能和本构模型。方法 使用电子万能试验机对猪脑组织白质和灰质开展准静态压缩和中速压缩试验,获得脑组织不同应变率下的应力-应变曲线。采用Ogden本构模型对试验曲线进行拟合,确定本构模型参数,并在有限元软件中进行仿真验证。结果 脑组织应力-应变曲线呈现非线性特征,具有较强的应变率相关性和敏感性。压缩至0.6应变时,在5×10^(-4)~5×10^(-2) s^(-1)应变率下,白质和灰质的应力分别增加102%和129%,在1~1.5 s^(-1)应变率下则分别增加50.7%和54.6%;1.5 s^(-1)应变率下白质、灰质应力比5×10^(-4) s^(-1)应变率下分别增加347%、413%。Ogden模型拟合下的R~2>0.99,仿真结果与试验结果误差在15%以内,验证了模型的有效性。结论 研究结果有助于实现对脑组织变形的预测,为建立更加科学合理的人体模拟靶标以及在设计和改进颅脑防护装备上提供准确的理论依据。

基于Ogden修正模型对金属橡胶隔振系统的仿真及试验验证

文章针对某型号隔振系统的金属橡胶阻尼器开展了仿真与试验验证研究。由于橡胶材料本构模型不能准确地描述金属橡胶的特性,无法直接利用其对该隔振系统的性能进行仿真预示,为此,只能通过对ADINA程序中的Ogden模型进行修正以模拟金属橡胶的特性,并利用这种强非线性仿真程序对该隔振系统的谐振频率进行仿真计算和测试。结果表明:仿真计算与试验测试所得的谐振频率的偏差为2.1%,谐振加速度的偏差为18.2%。这种计算方法对金属橡胶阻尼器的隔振系统的设计计算具有一定的参考价值。

电场活化聚合物材料力学性能模型的建立

电场活化聚合物在直流电场作用下会产生大幅度的应变,被视为制作微型机械中电致动器的理想材料。由于其属于大变形超弹性材料,故采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型建立其力学性能模型,为后续研究和电场活化聚合物致动器、传感器元件的设计提供理论依据。

基于ANSYS的超弹性模型参数确定

电场活化聚合物(Dielectric Elastomer)属于大变形超弹性材料,基于ANSYS的超弹性模型对试验数据进行了拟合处理,选取出适合描述电场活化聚合物的超弹性模型——5参数Mooney-Rivlin模型、9参数Mooney-Rivlin模型和3次Ogden模型.依据非线性力学理论推导出了电场活化聚合物的工程应力计算公式,并利用单轴拉伸试验数据验证了这些计算公式的正确性.

某客货共线铁路曲线段轨下装配式垫板动力响应

列车通过曲线段时轨下垫板单侧破坏严重,产生边缘外翻、撕裂的现象尤其突出,使用寿命较短,工人养护维修工作量大。为克服上述缺陷,文中对不同开槽形式、不同钢片布置形式的轨下垫板进行动力响应分析,考察列车以不同速度通过曲线段时垫板的动力性能,通过不同结构形式的垫板组合优化,解决曲线段轨下垫板不对等损坏的问题。结果表明:列车通过曲线段的理论设计速度为70 km/h时,曲线超高可抵消离心力;优化设计轨下垫板为1/2长度占比开槽垫板插入2层1 mm厚钢片时,列车以40~80 km/h通过曲线段的轨下垫板的变形相较其他结构形式的垫板明显减小,优化设计之后的装配式垫板变形更均匀,实现了轨下垫板变刚度设计,使用寿命延长,克服了运维过程中发现的列车通过曲线段时轨下垫板单侧破坏严重的现象;轨下垫板动力响应研究可作为客货共线铁路曲线段垫板优化设计的理论依据。

油脂添加对冻融鱼糜凝胶结构和大变形行为的影响

研究大豆油添加(1%、3%、5%和7%)对冻融过程中鱼糜凝胶结构的影响,并采用一阶Ogden模型拟合添加不同质量分数豆油的鱼糜凝胶在大压缩变形(拉伸比为0.4~1)下的真实应力和真实应变之间的关系。结果表明,新鲜鱼糜中,大豆油的添加会降低鱼糜凝胶的凝胶强度,鱼糜凝胶网状孔隙变大;而6次冻融循环后,添加5%、7%的大豆油对鱼糜凝胶网络结构具有保护作用,凝胶强度(319.30、338.64 g·cm)显著高于空白样品(286.04 g·cm)(P<0.05),其网络结构的完整性也优于后者。Ogden模型能够很好拟合添加了大豆油的新鲜鱼糜凝胶及冻融后样品的真实应力-应变压缩响应曲线(R2=0.916~0.998);同时,模型拟合结果显示,新鲜鱼糜凝胶及冻融样品的初始剪切模量的变化与凝胶强度结果一致。本研究表明添加5%和7%的大豆油可以减缓低温冷冻-融化过程对鱼糜凝胶结构的破坏;Ogden模型能很好描述油脂添加对新鲜鱼糜及冻融后的凝胶大变形行为的影响,为实际生产中鱼糜制品的品质提升及运输贮藏条件的控制提供理论依据和技术支持。

汽车碰撞试验假人皮肤材料的参数研究

为了对假人有限元模型的开发提供准确的皮肤材料参数,对汽车碰撞试验假人皮肤材料进行了应变率分别为0.001、0.01、0.1和2 s-1以及压缩率分别为10%、20%和30%的单轴压缩试验,并通过试验数据拟合得出二阶Ogden模型参数。建立该压缩试验的有限元仿真模型。通过混合遗传算法(GA-LFOP)对二阶Ogden模型中4个材料参数进行优化,获得一组最佳拟合参数。利用不同碰撞速度下的假人头部跌落试验对反求得到的材料参数进行验证。仿真与试验结果吻合良好,误差小于4%。

电场活化聚合物变形特性有限元分析

电场活化聚合物(dielectric elastomer,DE)是一种高分子聚合物薄膜材料,该材料在电场力作用下会产生超弹性变形,且具有非线性特性。文章应用ANSYS有限元仿真分析方法,选取最适用的Ogden模型材料参数作为模型参数,通过对模型其他参数和边界的设定,构建出DE变形机理有限元模型;通过仿真实验对比分析了材料变形特性规律及影响因素,即驱动电压的变化、预拉伸的大小以及电极材料等因素影响着DE应变的响应。有限元仿真分析方法为DE变形机理特性研究提供了一种可行的创新方法。

基于电场活化聚合物的一维伸缩致动器设计

电场活化聚合物一维伸缩致动器是一种能够将电能直接转化为直线运动的装置,可应用于机器人等方面。文中以HN-1110T型DE材料的Ogden本构模型为基础,以卷筒型一维伸缩致动器为设计对象,探索可靠的电场活化聚合物一维伸缩致动器设计方法。

离体狐眼外肌被动行为的超弹性分析

目的确定眼外肌的Ogden超弹性模型参数剪切模量(μ)和曲率(α),通过数值模拟为临床眼外肌手术提供理论依据。方法通过单轴拉伸实验测试离体狐眼外肌的被动行为,并用一阶Ogden超弹性模型及ABAQUS软件对其进行超弹性分析。结果实验结果表明,狐眼外肌的被动行为是非线性的。获得了相应的超弹性参数值,其中μ=(16.57±3.76)kPa,α=8.16±1.63。当应变大于6%时,一阶Ogden模型的计算结果与实验结果之间没有显著性差异(P>0.05)。计算结果与数值模拟结果都能很好地拟合实验结果。结论所确定的超弹性参数可作为狐眼外肌数值建模的输入量。

基于膨胀实验数据获取角膜屈光手术后力学参数的方法初探

目的:基于离体膨胀实验获得的角膜顶点与压力数据,探索利用有限元方法获得屈光手术后角膜力学参数的方法。方法:取实验兔4只,左眼为手术眼,右眼为对照眼。行标准的LASIK术实验兔2只,仅制瓣未对角膜基质层消融的实验兔2只,分别于术后不同时间点实施离体角膜膨胀实验。在离体膨胀实验中,利用位移传感器、压力传感器和显微镜分别获得角膜顶点位移、角膜内压力及角膜正侧面轮廓图像。根据获得的角膜轮廓图像构建角膜几何模型,用二阶Ogden模型描述角膜的本构关系,通过有限元方法模拟膨胀实验,将计算结果与膨胀实验数据比对确定角膜的力学参数,分析屈光手术后饲养一定时间时角膜的力学特性。结果:角膜膨胀实验获得的角膜顶点位移与压力呈非线性关系。在相同压力下,术后饲养一定时间后的兔眼角膜顶点位移量比对照眼小。二阶Ogden模型可以较好地描述屈光手术后角膜的力学特性。屈光手术后角膜弹性模量较对照眼大。结论:基于整体膨胀实验数据,利用有限元方法模拟角膜膨胀实验反推屈光手术后角膜力学参数的方法是可行的。

猪眼外直肌生物力学性能的实验研究

用Instron5544万能材料试验机对猪眼外肌样本进行单轴拉伸实验,获得相应的应力-应变关系曲线,然后用Mooney-Rivilin和Ogden超弹性模型对实验数据进行非线性拟合。利用得到的Mooney-Rivilin和Ogden模型的材料特性参数,在ABAQUS软件中建立有限元模型对眼外肌进行模拟,以验证Mooney-Rivilin和Ogden模型的材料特性参数用于数值建模的合理性。将模拟结果与实验结果进行比较,发现Mooney-Rivilin本构模型比Ogden本构模型更适合于描述眼外肌的小变形行为。

鼓型橡胶护舷非线性有限元分析及试验验证

根据材料拉伸试验结果,采用OGDEN三阶模型定义橡胶的超弹性特性,建立鼓型橡胶护舷非线性有限元分析模型,并进行了试验验证和性能分析,结果表明:试验结果和仿真结果具有良好一致性,证明了模型的正确性;护舷的吸能量随着压缩量的增加而稳定增长,反力变化可分为稳定增加、相对稳定、快速增加三个阶段;护舷中的铁片应力分布明显高于橡胶部分,最大应力的变化与护舷反力数值有很大相关性;护舷橡胶部分的MISES应力和最大主应变都随着压缩量的增加而线性增大,在第一阶段最大应力和应变从护舷外表面的上下拐角处转移到护舷中部对称面上,之后,随着压缩量的增加,护舷的最大应力和应变区域在这个对称面上开始由里向外发生缓慢转移。

基于聚氨酯弹性体位移传感器的有限元分析及实验

为揭示聚氨酯弹性体位移传感器固定端应变与运动端位移、扭转之间的关系,课题组基于橡胶类材料单轴拉伸实验得到的应力应变关系,通过数据拟合后确定最适合聚氨酯弹性体材料的Ogden本构模型及参数。用ABAQUS软件建立了聚氨酯弹性体位移传感器的非线性有限元模型,分析运动端位移和扭转情况下传感器的应力、应变和位移变化规律。研究表明:随着运动端位移和扭转的加载,固定端的应变随之增加,当位移达到30 mm时,最大应变出现在距离固定端4 mm处;当扭转达到15°时,最大切应变区域为整个弹性体发生扭转变形部分;此分布规律指导了传感器设计中应变片布置方案。将传感器仿真与测量实验数据对比,误差在10%以内,符合传感器要求。

技术文摘专栏

超弹模型参数对橡胶减震器刚度和强度分析的影响 【摘要】：基于超弹理论和橡胶试验数据，用3～5阶Ogden超弹模型分别对金属一橡胶复合锥形弹簧（以下简称锥形簧）的垂直刚度和强度进行模拟分析。结果表明，3阶和5阶Ogden模型的刚度分析结果在一定负荷范围内与试验值较吻合，在其它情况下存在较大偏差；而4阶模型在其负荷范围内与试验值吻合最好，刚度曲线呈现弱非线性。模型参数对锥形簧强度分析的影响比对刚度的影响小，但影响趋势一致。