非对称型假体设计及全膝关节置换后的力学分析

背景:全膝关节置换是治疗膝关节晚期病症的有效手段,但假体衬垫容易因内部应力变化而产生磨损失效,寿命有限且术后患者的活动能力降低。如何对假体进行改进设计来满足患者更多的需求是假体研究的重要方向。目的:基于半月板的形态设计一种非对称型假体,并与对称设计的后稳定型假体进行比较,分析2种假体的应力分布情况和衬垫的接触面积变化,以探究非对称型假体设计是否存在优势。方法:通过有限元方法对1例膝骨关节炎患者进行模拟截骨和假体装配,建立基于非对称型假体及对称设计的后稳定型假体的全膝关节置换术后膝关节模型。在0°,10°,20°,30°的屈膝条件下,探究股骨假体、胫骨假体以及衬垫上的Mises应力,并通过对比衬垫内外侧的接触面积,分析全膝关节置换后膝关节生物力学变化和运动行为的改变。结果与结论:(1)在0°-30°的屈膝过程中,2种假体衬垫上的Mises应力峰值均表现出先减小后增大的趋势,且内侧始终大于外侧。(2)非对称型设计的假体与后稳定型假体相比,应力峰值更低;在屈膝30°时,非对称型假体衬垫内外侧的Mises应力峰值分别为15.81 MPa和11.95 MPa,后稳定型衬垫为16.70 MPa和13.76 MPa,两者内侧差值约为5.33%,而外侧则相差13.15%;对比股骨假体和胫骨假体上的Mises应力峰值,非对称型假体在屈膝过程中始终低于后稳定型假体。(3)在0°站立位时,后稳定型假体衬垫的内侧接触面积为17.96 mm^(2)、外侧为34.10 mm^(2);而非对称型假体衬垫的内外侧接触面积分别为105.47 mm^(2)和107.80 mm^(2),具有更大的接触面积且两侧差距更小。(4)结果表明,非对称型假体的生物力学表现更好,且能够对维持膝关节稳定性、提升关节活动度有所帮助。这种设计能够在一定程度上还原膝关节以内侧髁为轴进行外旋的运动机制,是一种更为有效的膝关节假体选择方案。

公路隧道二衬钢筋装配化螺栓的接头设计

针对公路隧道二衬钢筋现场焊接、绑扎效率低、质量控制难度大的弊端,基于直线型混凝土软化本构模型及钢筋应力应变关系,推导得到钢筋混凝土衬砌截面的极限承载力计算式.结合螺栓连接面极限承载力,以应力分布系数作为控制因素,将轴心压缩状态、大小偏心分界点以及纯弯状态时的最危险截面作为特征截面,控制钢筋混凝土截面极限承载力以及螺栓连接面极限承载力在特征截面处的大小,得到连接面处螺栓的设计方法 .选取某隧道隧址围岩参数及其断面尺寸、支护参数,运用得到的螺栓设计方法进行螺栓选型并设计连接面处的螺栓分布,给出钢筋预制节段的划分方案,通过数值模拟验证了二衬钢筋装配化螺栓的接头设计的合理性.研究结果表明:钢筋骨架采用螺栓装配化预制连接后,二衬结构的应力进行了重分布,应力与变形的增长速率放缓,并逐渐稳定.最终,左拱肩和左拱脚处的应力分别降低58%和53%,位移量同样有不同程度的降低;在拱底螺栓连接面,应力相较提高,但由于螺栓的高承载性能,隆起量反而有所降低,充分发挥了螺栓的性能,实现了结构优化.

超深覆盖层上面板坝防渗墙连接板接缝变形机制及优化分析

针对超深软弱覆盖层上的面板坝工程止水缝安全问题,从变形和应力2个方面开展优化研究,揭示了防渗墙连接板趾板面板防渗体系的变形模式,定位了薄弱位置,提出了优化方案,并量化了工程应用效果.结果表明,防渗墙与趾板间沉降差集中在防渗墙与连接板之间的止水缝处,设置多块连接板无法起到逐步过渡沉降差的作用.防渗墙下游侧设置侧向支撑、制作倾斜形止水缝、趾板下设支撑墙均可减小防渗墙连接板间止水缝沉陷变形.相比垂直止水缝和多块连接板的传统方案,所提的防渗墙顶部拓宽连接板倾斜形止水缝以及防渗墙顶部拓宽倾斜形止水缝趾板下设支撑墙的深厚覆盖层上面板坝防渗体系综合优化方案可使防渗墙与连接板之间止水缝沉陷变形分别减小41.5%和53.8%.

绿色低碳及人本视角下的未来校园空间研究——以东南大学和康奈尔大学研究生联合设计教学课程为例

在城市低碳发展的背景下,积极应对新技术、新发展的挑战,探索校园低碳发展的新路径成为大学校园发展的重要议题。本文通过东南大学和康奈尔大学研究生联合设计教学课程,聚焦大学校园的低碳设计,从绿色低碳及人本视角出发,以东南大学九龙湖校区校园的两个项目为代表案例,综合运用多学科方法和视角,探索校园建筑和环境低碳设计的路径与方法,对在新的时代背景和新的发展趋势之下的未来校园空间进行大胆探索。

“双一流”建设下的多专业联合毕业设计教学模式研究

通过多元化教学模式,积极探索“双一流”学科内部各专业联合毕业设计模式和全过程标准化设计管理,对于全面提升学科建设水平和实现“双一流”建设培养一流人才的目标具有重要意义。分析国内联合毕业设计教学模式,探讨北京工业大学城市建设学部多专业联合毕业设计的可行性。基于学科交叉与专业融合,提出了多专业联合毕业设计的教学目标,通过基于混合教学的多专业联合毕业设计教学实践,提出教学方法、设计选题题库、资源的整合与共享、质量控制、组织形式和教学评估反馈等具体实施细节。

基于通感融合的无人机预编码及飞行轨迹设计

无人机(UAVs)具有机动性强,低成本及易部署等特性,通过搭载通信及感知设备,支持通信与感知技术的高效资源共享,无人机可作为融合通信与传感技术的高性能空中平台。该文针对多输入多输出(MIMO)无人机使能的联合通信、感知场景,综合考虑无人机飞行能量、多天线传输及用户业务需求等限制条件,建模无人机通信、感知预编码及飞行轨迹联合优化问题为多目标优化问题,以实现通信用户最低速率最大化及目标最小发现概率最大化。由于通信用户最低速率最大化问题为非凸优化问题,难以直接求解,将原优化问题分解为通信预编码设计子问题及无人机轨迹设计子问题,并采用交替迭代法依次求解两个子问题直至算法收敛,其中,对于通信预编码设计子问题,提出一种基于迫零(ZF)算法的求解策略;对于无人机轨迹设计子问题,提出一种基于连续凸逼近(SCA)算法的求解策略。基于所得到的无人机最优轨迹,将无人机感知位置选择问题建模为加权距离和最小化问题,进而应用泛搜索算法优化确定目标感知位置,并设计基于ZF算法的通信感知预编码联合优化策略,以实现通信感知性能的联合优化。最后通过仿真验证了该文所提算法的有效性。

台风作用下轻钢屋面自攻钉节点的静力-疲劳统一设计模型

对已受疲劳损伤的V125型屋面板自攻钉节点进行静力拉伸试验,获得该类节点在不同幅值疲劳加载作用后的剩余承载力,并分析其在受静载作用下的损伤演化过程,提出了风致疲劳作用下的承载力折减及退化系数计算方法,建立了静力-疲劳统一设计模型.根据实验结果,推导拟合了风速与风致疲劳折减系数的相关关系.根据我国沿海11个城市的台风风速概率信息,给出了适用于相应城市的V125型自攻钉节点的静力-疲劳承载力退化模型.结果表明:V125型自攻钉节点的疲劳极限为其静力极限承载力的20%;在风致疲劳作用下,中国台北的轻钢屋面自攻钉节点的疲劳损伤折减系数最大,上海地区自攻钉节点的疲劳损伤折减系数最小.

考虑多种作用效应的表面防渗聚脲涂层非线性分析及设计

聚脲与聚氨酯相比,具有绿色环保、耐久性好、力学性能优异、施工面适应性强等优势,聚脲基防渗层被广泛应用于水工结构中。鉴于防渗聚脲尚无成型的结构设计计算理论,惯常采用的经验性设计可能会导致不安全、不合理、不经济的设计结果,本研究通过探讨聚脲基表面防渗涂层非线性分析的关键理论,基于有限单元法建立了非线性数值模型。在涂层基面开裂、水压荷载作用、伸缩缝变形等不同受力工况下,通过对材料的受力变形行为、剥离行为、破坏模式等分析,总结了涂层受力变形规律,并基于分析结果,提出表面防渗聚脲设计流程。研究表明:对于水压作用下的涂层基面开裂工况,涂层最大应力随水压荷载、粘结强度增大而增大,随开裂宽度变化不显著,涂层剥离长度随粘结强度增大而减小,随开裂宽度增大而增大;对于伸缩缝变形工况,涂层剥离长度均随涂层厚度增大而增大,涂层剥离长度随伸缩缝变形量增大而增大,随粘结强度增大而减小,剥离长度随水压荷载变化趋势不显著;涂层最大应力随涂层厚度增大而减小,随粘结强度增大而增大,随水压荷载增大而逐渐增大。最终基于数值分析结果提出了考虑伸缩缝变形工况下的聚脲涂层结构设计方法,形成设计流程并计算机软件化。

固本拓新、多维联合:建筑学专业毕业设计课程改革研究与实践——以吉林建筑大学为例

毕业设计是建筑学专业关键性和综合性的核心课程,其教学成果尤其体现人才培养的特色和成效。吉林建筑大学建筑学专业聚焦毕业设计选题单一、师资固化、学生忽视的三大困境,以适应人才需求多元化特色化趋势为目标,通过扩展授课资源、丰富选题方向、强化阶段性成果、公开激励评优等教学方法与手段,凝练为“固本拓新、多维联合”的教学特色,逐步形成以应用实践为特长,兼具前沿创新、适才培养的多维多样多彩教学范式,体现毕业设计作为建筑学专业核心课程的价值提升,为提高人才培养成效提供重要支撑。

创建行动导向下美丽乡村联创联建的规划设计方法探索

伴随着浙江省乡村发展愿景从“千万工程”到“美丽乡村”再到共同富裕的纵深推进,以单个行政村为单元的美丽乡村创建模式已经难以适应新的发展诉求。基于自然资源禀赋或基础设施地理空间连续性的美丽乡村联创联建工作,是破解各行政村独立发展的多重瓶颈的创新性尝试。针对具有明确的目标、资金、时间约束的美丽乡村创建行动,基于“产业-空间协同发展”的总体思路,试图探讨一种面向美丽乡村联创联建的规划设计方法,即“二阶三心法”。这一方法从乡村地区的存量资源切入,旨在系统性、创造性地回应创建行动目标,开展面向产业-空间复合型目标的空间规划干预:一是基于“土地矛盾最小化原则”进行空间节点设计,二是基于“空间投入-融合效益最大化原则”形成特色主线,三是基于“优先塑造-示范带动原则”打造示范样板。进一步的,结合湖州市道场乡菰城片区规划设计工作,探讨了该方法在产业策划和空间设计层面落地应用的关键问题和解决策略,为中国先发地区美丽乡村联创联建的规划设计工作提供经验借鉴。

基于案例设计的课程理论与实践综合教学探索——以“工业机器人基础”课程为例

新工科背景下,“工业机器人基础”课程教学不仅要提高学生的理论知识水平,还要培养理论应用能力及创新能力,现有的相关课程教学尚未实现理论与实践的紧密结合,为此,进行基于案例设计的“工业机器人基础”课程理论与实践综合教学探索。该方案通过设计案例将运动学建模、运动规划等内容应用于实际工业机器人进行离线仿真实训和实操实训,通过仿真生成轨迹的实际验证,实现仿真与实操的联合实践,并提出了相应的课程教学模式及考核方式。经过两轮课程教学发现,该课程体系可有效提升学生的理论应用、离线仿真、实际操作等综合能力。

超高层单元幕墙弹出式插芯节点设计及应用

单元幕墙已经成为超高层建筑外围护结构的主流形式,采用插接节点,在安装过程中必须按楼层逐层插接安装,为此提出超高层建筑单元幕墙多段同步施工技术。该技术通过将分段施工收口楼层单元板块的插接式节点设计为弹出式插芯节点,解决了单元幕墙必须按楼层逐层插接安装的工序问题,实现单元幕墙的分段同步施工。分析了超高层单元幕墙弹出式插芯节点设计、技术原理、工艺流程和安装要点,并结合工程案例,对采用弹出式插芯节点的超高层建筑单元幕墙多段同步施工技术和工程应用进行探讨。

四川大学博物馆结构设计重难点分析研究

四川大学博物馆采用钢框架结构体系,并设置屈曲约束支撑改善结构的抗震性能。介绍了四川大学博物馆的结构设计参数及抗震性能目标。针对结构设计中的重难点,开展了屈曲约束支撑的工作机理分析、框架柱计算长度与穿层柱分析、东侧大悬挑空间的相关分析。利用反应谱分析及时程分析探究了屈曲约束支撑工作机理,分析结果表明,屈曲约束支撑能够有效改善钢结构产生塑性铰的状况,起到保护主体钢框架的作用。针对东侧大悬挑空间的功能要求,设计采用了屋顶桁架结合钢拉杆吊挂东侧大楼梯的结构形式,通过结构防连续倒塌分析、楼板应力分析、楼盖舒适度分析、关键节点有限元分析等确保该部位结构设计安全合理。对整体结构受力机理和薄弱部位进行了研究,提出了重点部位的设计原则和加强措施。

人工膝关节中胫骨髓内柄的结构设计

背景:伴随着社会进步,面对社会人口中快速发展的老龄化问题,膝骨关节炎发病率越来越高,全膝关节置换手术量逐渐增加。目的:通过对胫骨假体基座进行改进,研究假体尺寸与应力遮挡间的关系。方法:选择1例患有重度膝骨关节炎的女性患者,以Mimics为基础,通过提取膝关节骨骼结构模拟全膝关节置换手术,进行截骨、定位、置入操作,建立全膝关节置换假体(包含股骨假体、胫骨托、胫骨衬垫)的几何模型,对胫骨假体基座进行改进设计,分析不同胫骨假体基座对周围骨组织应力遮挡的影响。结果与结论:①与单柄胫骨髓内柄假体相比,四桩胫骨髓内柄假体设计在短桩周围会造成一定的应力遮挡,但是与较粗大的单个长柄相比,这种应力遮挡作用明显减小,并由4个短桩来均匀分担负荷,因而在桩底部不会造成应力集中;②中部有矩形孔的设计,不仅能提供相对好的稳定性,并且在一定程度上还有利于减少松质骨的应力遮挡,减少率达77.5%;③与单柄胫骨髓内柄假体相比,四桩胫骨髓内柄假体和中部有孔的四桩胫骨髓内柄假体都有很好的稳定性,可以在一定程度上减少应力遮挡,不会造成应力集中,为胫骨髓内柄的设计提供理论指导。

CDIO模式下校企联合本科毕业设计质量提升的探索与实践——以车辆工程专业为例

在新工科建设背景下,高校应主动探寻培养具备创新精神和实践能力的高素质工程技术人才,以顺应技术革新的步伐并满足企业日益增长的人才需求。毕业设计作为高校教育体系中的关键一环,对于培养学生的综合素质和工程实践能力至关重要。针对当前校企联合本科毕业设计教学环节中存在的问题,提出以构思、设计、实现和运作(CDIO)理念为导向的毕业设计质量提升教学改革,以车辆工程专业校企联合毕业设计为例,将质量提升的途径和机制作为切入点,对校企联合本科毕业设计质量的提升进行探索和实践,为工科类专业校企联合毕业设计引入CDIO教育教学理念提供借鉴与参考。

高超声速喷管流场不均匀性分析与改进

飞行器的发展,对风洞不同模拟条件下气动和操稳特性的准确预测提出了更高需求。风洞流场品质是影响试验数据精准度的主要因素之一,本文以某风洞马赫数5.5喷管为研究对象,开展喷管出口流场不均匀性研究。通过数值计算捕捉喷管内部微弱波系结构,分析喷管型面设计方法、型面加工精度和型面拼接处阶差等因素对喷管出口流场品质的影响,并与风洞流场校测结果进行对比分析,得出目前影响喷管出口流场品质的主要因素是拼接处阶差,并针对该因素提出了改进策略,通过对喷管合理分段减少波系对试验区域影响,以进一步提升风洞流场品质。

基于数据失真的雷达通信一体化OFDM波形设计方法

正交频分复用(OFDM)波形设计是实现雷达通信一体化的物理层关键技术之一。OFDM波形通常存在峰均功率比(PAPR)高,以及波形自相关旁瓣电平高的问题。该文针对现有联合降低PAPR和自相关旁瓣方法存在的通信速率下降问题,提出了一种基于数据失真的一体化波形设计方法。该文还将通信数据的误差矢量幅度作为优化目标之一,降低了数据失真引起的通信误码率。首先,构建了PAPR约束下最小化积分旁瓣比和误差矢量幅度的优化模型。其次,根据调制星座图特点,通过外围星座调制的数据失真和所有调制数据失真,将多目标高维非凸优化问题转化为两个单目标优化子问题,分别采取凸松弛操作和交替方向乘子法(ADMM)求解简化后的子问题,得到低积分旁瓣比波形和PAPR约束下的低误差矢量幅度波形。仿真结果表明该方法设计的一体化波形可满足PAPR要求,同时具有良好的感知和通信性能。

超大跨度张弦结构多索索夹偏心节点设计及有限元分析

对于超大跨度张弦结构,其撑杆下端的索夹节点是影响张弦结构成型的关键因素。由于外圈环向索的受力较大,超大直径拉索的捻制成型工艺尚未成熟,外圈环向索需采取并排多索的形式才能满足其受力要求,索夹节点相连构件数量多且受力大。基于贵阳奥林匹克体育中心(二期)主体育馆项目大跨度弦支穹顶结构,分析多索索夹节点的设计重难点,通过综合对比多种索槽布置方式,提出适用于超大跨度张弦结构的多索索夹偏心节点,并对该偏心节点进行整体受力和节点有限元分析。结果表明,多索索夹偏心节点对结构索力分布影响较小;该偏心节点设计符合计算假定,具有较高的承载力和抗滑移能力,有效解决了多索索夹节点连接、索夹安装及拉索更换等问题。

考虑分离特性的包带式星箭连接结构优化设计

针对高鲁棒性包带式星箭连接结构(CBJ)优化设计问题,提出一种兼顾结构的连接承载性能与分离冲击响应的包带式星箭连接结构轻量化设计方法。优化设计基于包带结构三维非线性有限元参数化模型,以连接框与夹块径向截面尺寸参数为设计变量,以结构静力学承载性能与动力学分离冲击为约束,以轻量化为目标。针对优化中设计空间高维度、非规则导致的算法收敛困难问题,提出了基于近似模型与序列采样策略的约束序列近似优化(CSAO)算法。结果表明:算法可实现在复杂设计域内迅速收敛至最优解,相较于初始设计,优化结构的质量降低了5.62%,同时,结构连接刚度提升了19.27%,卫星下裙解锁冲击降低了18.52%,在满足性能约束的条件下减重效果明显,验证了提出方法的有效性。设计的优化构型兼顾了连接与分离特性,具有一定的工程应用价值。

空间内倾鱼腹式钢桁梁人行天桥设计与创新

以某人行天桥为研究对象,介绍其桥型的建筑创意与结构设计,重点介绍桥梁结构创新点。主桥为单跨下承式简支空间鱼腹式变高钢桁梁结构体系,空间内倾的鱼腹式桁架为主要受力体系。上、下弦杆和竖杆间采用X型交叉钢拉杆代替传统的交叉刚性斜腹杆连接方式,首次将X型交叉钢拉杆应用于桥梁结构中。“双Λ形”桥墩柱脚位置采用剪力钉与PBL剪力键相结合的钢砼组合结构刚性柱脚连接节点。桥梁结构受力合理,造型优美,体现了造型与结构的有机结合。