腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段腰椎间盘突出症力学效应的三维有限元分析

目的:分析腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)的力学效应。方法:提取1名健康成年男性志愿者脊柱L_(4)~S_(1)段的CT薄层扫描数据,建立正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型,并进行有效性验证。基于建立的正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型,通过调整椎间盘高度和髓核体积及修改髓核和纤维环的材料属性模拟椎间盘退变,建立L_(4)~S_(1)双节段LDH(左旁中央型)三维有限元模型。在建立的L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型上,模拟腰椎定点旋转手法操作,并以拇指推顶位置为条件,建立2种操作模式(拇指推顶于L_(4)棘突上为M1,拇指推顶于L_(5)棘突上为M2)。分析腰椎定点旋转手法2种操作模式下,L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型整体应力变化情况,L_(4~5)和L_(5)S_(1)椎间盘纤维环与髓核的应力和位移情况,以及L_(4~5)和L_(5)S_(1)关节突关节软骨接触力与应变情况。结果:(1)正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型的建立与验证结果。建立的正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型共有508705个节点、318640个单元,经验证可用于进一步研究。(2)L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型整体应力测定结果。M1操作模式下,模型整体应力最大为16.85 MPa,主要集中于L_(4~5)、L_(5)S_(1)的上下软骨终板和L_(5)椎体,以及L_(4~5)、L_(5)S_(1)关节突关节;M2操作模式下,模型整体应力最大为15.02 MPa,主要集中于L_(4~5)、L_(5)S_(1)关节突关节和L_(4)椎弓根,以及L_(5)双侧椎板。(3)椎间盘纤维环应力与位移测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)纤维环的最大等效应力分别为4.3 MPa、3.8 MPa,L_(4~5)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.31 mm、0.24 mm、1.20 mm,L_(5)S_(1)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.20 mm、0.23 mm、1.10 mm;M2操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)纤维环的最大等效应力分别为4.2 MPa、3.7 MPa,L_(4~5)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.35 mm、0.24 mm、1.10 mm,L_(5)S_(1)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.32 mm、0.22 mm、1.00 mm。(4)椎间盘髓核应力与位移测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)髓核的最大等效应力分别为0.35 MPa、0.32 MPa,L_(4~5)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.10 mm、0.46 mm、0.41 mm,L_(5)S_(1)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.08 mm、0.40 mm、0.40 mm;M2操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)髓核的最大等效应力分别为0.34 MPa、0.31 MPa,L_(4~5)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.23 mm、0.46 mm、0.41 mm,L_(5)S_(1)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.09 mm、0.45 mm、0.40 mm。(5)关节突关节软骨接触力与应变测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为17.0 MPa、15.8 MPa,最大应变值分别为0.34%、0.32%;L_(5)S_(1)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为9.7 MPa、9.4 MPa,最大应变值分别为0.33%、0.27%。M2操作模式下,L_(4~5)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为15.0 MPa、13.0 MPa,最大应变值分别为0.31%、0.27%;L_(5)S_(1)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为10.0 MPa、8.4 MPa,最大应变值分别为0.29%、0.24%。结论:腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段LDH,可使L_(4~5)和L_(5)S_(1)椎间盘产生一定的应力变化和位移,促进关节突关节滑动;且手法操作时拇指推顶于L_(4)棘突,力学效应更明显。

喷印金属双液滴撞击固体形成气泡的模拟研究

喷墨打印镓金属液滴撞击固体表面时会产生空气夹带,造成气泡沉积出现喷墨打印导线不互联现象,深入理解气泡形成的影响因素是解决此问题的关键。为消除气泡,提高打印导线互联性,本研究使用Ansys Fluent软件,采用VOF耦合水平集方法,建立了二维镓金属双液滴撞击固体铜基板过程的仿真模型,研究了水平壁面温度、双液滴间距、倾斜壁面角度、倾斜壁面温度等参数对金属双液滴撞击固体壁面形成气泡过程的影响规律。研究结果表明,对于水平基板,在不同基板温度下气泡的大小呈现双向变化,金属双液滴间距的增加更有利于液滴铺展。当金属双液滴间距S=D_(0)-2.38D_(0)时,有气泡形成;当S=2.38D_(0)-2.5 D_(0)时,液滴铺展出现断裂,且气泡随温度的增加没有明显变化;当金属双液滴间距S=2.6 D_(0)时,随着温度的增加不再产生气泡,此时喷墨打印液滴表现出最佳精度,提高了打印导线的互联性。对于倾斜基板,使用参数韦伯数(We⊥)和参数(K⊥)表征金属双液滴形成的气泡,当撞击倾斜壁面韦伯数We⊥>15、K⊥>0.035时,液滴会在固体表面上形成气泡;当We⊥>16、K⊥>0.04时,形成的气泡直径随壁面温度的增加而减小;当15<We⊥<16、0.035<K⊥<0.04时,液滴出现铺展断裂,并且气泡直径随着壁面温度的增加而减小;当5<We⊥<15、0.015<K⊥<0.035时,液滴铺展断裂且气泡直径变大;当We⊥<5、K⊥<0.01时,液滴在基板形成的气泡消失,此时为喷墨打印液滴的最佳精度,可提高打印导线的互联性。该研究为优化喷墨打印金属液滴的工艺提供了重要理论依据,有望在实际应用中消除气泡,进一步提高喷墨打印导线的互联性。

土工格栅在道路基层中优化设置探讨

为有效提升土工格栅加固层的承载力,考虑循环荷载作用,针对两种基层厚度和三个不同半径的圆形加载区域,变化土工格栅的埋置深度,综合采用三维有限元分析方法和理论分析方法进行土工格栅在道路基层中的优化设置分析。结果表明:无论基层厚度如何,当土工格栅埋置深度为1/2加载区域半径时,基层抗变形能力最强;当土工格栅埋置深度位于最大竖向应变位置时,道路基层厚度可以适当减少;当土工格栅置于骨料基层和路基之间的界面时,土工格栅加固效果会大打折扣。

基于有限元分析的精密成形压机模架设计研究

模架是粉末精密成形压机的核心部件,模架动态特性是决定压机工作性能的重要因素,在压制过程中模架的异常振动将对压制成形质量及设备造成直接损害。本文将有限元分析方法引入精密成形压机的设计优化过程,采用结构有限元分析软件MSC.Nastran,应用其动力学分析功能———模态分析功能,结合前后处理软件MSC.Patran,对模架设计方案进行模态分析,比较其动态特性与设计合理性,在分析结果的基础上实现了结构优化设计。

SRC截面系梁系杆拱桥拱脚局部应力分析

钢骨钢筋混凝土构造(SRC)截面梁在系杆拱桥中的应用尚无先例,其拱脚处更是因各种构件在此交会,受力情况复杂。为探究拱脚部位的应力分布,文章采用有限元软件Midas Civil,对某跨径为68 m的采用SRC截面系梁的系杆拱桥建立全桥模型,分析了施工阶段及运营阶段的最不利荷载工况,提取相应的截面内力值,再采用ANSYS软件建立拱脚局部模型,通过分析局部应力分布规律,指出了施工及运营阶段钢与混凝土结构的最不利位置,并提出相应的建议,以改善拱脚的受力状态。同时,由应力分析结果揭示了该类特殊桥型的传力途径。

非均质点阵结构材料性能快速预测方法研究

随着智能设计方法和先进制造技术的快速发展,高端装备呈现出智能化、轻量化、多功能化、仿生化和制造一体化等发展趋势。虽然点阵结构具有轻质高强、减振降噪、抗冲击吸能等优异性能,然而其一直存在微观建模复杂且性能表征分析耗时的难题。为此,本文提出了一种基于切割水平集的非均质点阵微结构建模与数据驱动的材料性能快速预测方法。首先,每个微结构原型由一个水平集函数隐式表示,多个微结构原型组成一个复合点阵微结构,通过改变微结构原型的类型和数量可组合成多种非均质微结构构型。然后,采用均匀化理论计算点阵微结构的等效弹性矩阵并生成数据集,并通过神经网络建立其切割高度变量到等效弹性矩阵与体积分数之间的映射,所得代理模型可快速预测出点阵微结构的材料性能参数,从而替代昂贵的均匀化计算。实验结果表明,本文提出的预测方法可精确表征非均质点阵微结构,构建的代理模型可大幅减少点阵微结构性能计算成本,且具有较高的精度和鲁棒性。

电传动重型轨道车柴油发电机组公共底架设计

柴油发电机组作为电传动重型轨道车的动力来源,其稳定性对整车的行驶品质有着至关重要的作用。由于公共底架承载整个柴油发电机组,又受到车内空间限制及整车布置的要求,因此合理的结构形式对柴油发电机组的稳定性和可靠性是非常重要的。以某重型轨道车柴油发电机组公共底架为研究对象,对其设计分析过程进行了介绍,并对其进行了可靠性验证,以满足实际运用要求。

基于Ansys Workbench的快装箱多目标优化设计

目的研究快装箱在压力作用下的静态特性,并对其结构进行多目标优化设计。方法通过Ansys Workbench建立快装箱的几何模型和有限元模型,对快装箱进行静态分析。以快装箱的各箱板厚度和各钢边厚度为设计变量,以快装箱的质量、最大变形量和最大等效应力为目标函数建立多目标优化的数学模型,对快装箱进行多目标优化设计,并且分析对比优化前后的结果。结果通过分析获得的优化前后快装箱的箱板厚度和钢边厚度都有所减小,在保证强度和刚度的条件下,使得总质量减少了9.018%。结论经分析快装箱的多目标优化设计是合理的,在满足使用要求的前提下,减少了总质量,节约了材料,降低了成本。

汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟

在Pro/E环境下建立某汽车驱动桥壳 3D模型 ,利用ANSYS软件 ,按国家驱动桥壳台架试验的标准 ,在计算机中采用有限元方法模拟其垂直弯曲刚性试验、垂直弯曲静强度试验和垂直弯曲疲劳试验。分析结果表明 ,该桥壳具有足够的静强度和刚度 ,疲劳寿命超过国家标准 ,产品设计满足要求。同时将有限元计算结果与试验结果进行了对比 ,吻合较好。因此用有限元模型模拟台架试验的方法是可行的 ,能实现在设计阶段对试验结果的预测 ,有效地降低设计成本 ,缩短设计周期 。

基于信息熵模糊桁架结构有限元分析

研究模糊桁架结构在模糊力作用下的有限元分析方法.考虑桁架结构材料物理参数、几何尺寸和外荷载同时为模糊变量,利用信息熵将模糊变量转变为随机变量.基于随机因子法,利用代数综合法推导出结构位移和应力响应的均值、方差的计算表达式.通过算例,分析了结构物理参数、几何尺寸和外荷载的模糊性对结构位移和应力响应的影响.

自升式平台齿轮齿条升降装置三维接触有限元分析

齿轮齿条的强度是关系整个平台安全性能的一个重要因素，对其进行强度校核非常必要。借助ANSYS有限元分析程序，采用参数化方法与数值插值法相结合，建立了某自升式修井平台升降系统齿轮与齿条三维几何模型，在此基础上采用三维接触有限元法分别对正常升降、应急升降及平台预压载荷工况下的弯曲强度、接触强度进行了数值分析，得到了弯曲应力、Von Mises应力与接触应力。从而为齿轮齿条升降装置进行可靠性分析及疲劳分析奠定了基础。

成组节理岩体的有限元塑性极限分析研究

运用有限元塑性极限分析方法研究节理岩质边坡的稳定性。含成组节理岩体的力学行为受控于节理面的方位和强度参数,从宏观上将节理岩体视为均质各向异性体,在有限元塑性极限分析中引入节理岩体各向异性的屈服条件,建立了节理岩质边坡有限元塑性极限分析的上、下限法数学模型。

金属对金属密封组件的有限元分析与试验研究

为了扩展现有井下工具的适用性与可靠性,为高温、高压、强腐蚀环境下油气资源的开发提供技术储备,针对用于井下工具密封的金属对金属密封技术展开了研究。设计了金属对金属密封组件的结构,并对密封组件的密封原理进行分析。通过有限元方法计算了密封组件在有外层套管约束下的变形和受力情况,确定了密封套筒的变形形状、所需要的下压载荷和下压行程之间的关系。进行了金属对金属密封组件在套管内坐封和试压试验。试验结果表明,下压载荷与下压行程的关系与仿真结果非常接近,坐封后的金属对金属密封组件的环空密封能力达到60 MPa,证明了金属对金属密封技术在大环空间隙密封应用中的可行性。

新型电励磁磁通切换电机励磁绕组结构分析

励磁绕组连接方式对电励磁磁通切换电机电磁特性影响很大。对所提出的2种新型电励磁磁通切换电机,分析了其工作模式和"磁通切换原理",利用有限元分析方法比较了2种电机的电磁特性:定子磁链、反电势、气隙磁密、定位力矩、电磁转矩、转矩密度。重点比较了励磁绕组连接方式对电机漏磁和功率密度的影响。结果表明,电励磁磁通切换电机具有较高正弦度的双极性磁链和全周期工作模式,适合运行在无刷交流场合。拓扑2具有更小的漏磁和更高的励磁电流利用率,其转矩密度为拓扑1的2倍。分析结果为所提出电励磁磁通切换电机在航空起动/发电机系统、风力发电系统等领域的应用提供了理论背景。

拓扑相关荷载作用下结构拓扑优化的水平集方法

发展了一种利用水平集演化技术求解拓扑相关荷载作用下结构拓扑优化问题的数值方法。通过引入水平集函数,我们以隐含的方式对结构的拓扑和形状作了描述,从而把拓扑优化问题转化为了寻求最优水平集函数的数学规划问题。利用基于连续体概念的灵敏度分析技术,构造了用于驱动水平集演化的速度场。由于结构的边界可以用零水平集加以描述,因此利用适当的数学变换,我们可以方便地处理施加在结构上的拓扑相关荷载,这样就避免了以往算法中繁复的边界提取工作以及为了处理拓扑相关荷载所采取的特殊技巧。文末的数值算例表明了提出的优化方法在处理此类问题时所具有的独到的优越性。

含模糊参数振动系统的Taylor级数展开法

为研究模糊参数约束条件下振动结构模糊有限元平衡方程特征值的问题,通过模糊集合理论中隶属度的性质,把振动结构的不确定模糊参量表示成区间形式,得到区间有限元平衡方程,利用所提Taylor级数展开法求解可以得到特征值所在的区间集.将α水平截集下得到的区间解,通过模糊分解定理构造出振动结构模糊有限元平衡方程的模糊解,从而可以得到模糊参数约束条件下振动结构的固有频率的变化范围,为结构的模糊可靠性评价奠定了基础.通过数值算例表明了所提方法的可行性.

航空发动机转子动力优化设计软件工具研究

通过对航空发动机多转子系统的转子动力学优化模型的深入分析与研究 ,采用模糊数学中的正态分布的隶属函数的加权之和 ,对多阶临界转速相对于多个常用工作转速的分布状态进行了描述 ,并由此构造了目标函数 ;按照设计工程需要选定了对临界转速有显著影响的多个因素作为设计变量 ;按照设计规范的要求选定性能约束 ;从而成功地建立了航空发动机转子动力学优化数学模型 .在Win dows98 NT平台上开发了航空发动机转子动力学优化设计软件工具 .该工具可以实现多转子系统的转子动力学优化设计和整体转子的有限元变形与应力分析 .以航空发动机转子为实例 ,验证了转子动力学优化设计软件工具在航空发动机优化设计中的应用 。

复杂温度场下高压加热器筒体的应力模拟分析

用有限元软件ANSYS对火电厂600 MW机组的高压加热器进行了温度场和应力场数值模拟计算分析。分析结果表明:由于蒸汽冷却段与疏水冷却段在同一横截面上,筒体壁温的最大值与最小值相差88℃,温差的存在使得该区域的应力分布变得非常复杂;模拟结果同时表明液位波动将引起交变应力的产生,内泄漏会使交变应力幅明显增大,影响高压加热器的使用寿命。

TP-JC特殊螺纹接头的开发及应用

针对API EU外加厚螺纹接头存在的接头应力高、上扣控制困难、可修复性差等问题,研制出可保证气密性且成本低的TP-JC特殊螺纹接头油套管。对该产品的开发及应用情况进行了详细介绍,该产品通过了ISO 13679∶2002 CALⅡ(简化版)实物性能试验,抗螺纹黏结性能、密封完整性、结构完整性均达到了产品设计要求,并在油田完成了相应的下井及密封试验。

压缩式封隔器射孔段坐封的有限元分析

在经过射孔工艺改造后的注水井中,常规封隔器胶筒坐封射孔的受力状况比较复杂。通过对压缩式封隔器胶筒进行工况下的受力分析与有限元建模,对压缩式封隔器光滑套管段坐封与射孔段套管坐封进行有限元计算和分析,得出了2种坐封情况下封隔器胶筒以及胶筒与套管之间的应力分布规律。通过对比分析,发现压缩式封隔器在射孔段坐封时,封隔器坐封效果有所下降,但不影响使用,可以在射孔段实现封堵。胶筒与毛刺接触后,胶筒等效应力并未急速增大,同时并未对胶筒造成破坏。研究内容为评估封隔器的使用效果提供了一种新的方法。