“力学+软件工程”交叉人才能力体系的构建研究

以新工科建设理念为指导,创新性地提出力学与软件工程跨专业交叉人才培养新模式,培养未来力学CAE软件产业发展需求的专门人才.针对这一跨专业交叉融合培养新模式,采用扎根理论,通过两次调研,构建了“力学+软件工程”交叉人才的能力体系,包括4个一级指标和8个二级指标.重构的能力体系符合力学CAE软件领域本科生培养和用人需求.以能力体系为导向,可完善培养过程和课程体系的重构,为培养满足国家需要和业界需求的交叉专业人才提供有力支撑,也可为相关高等院校的新工科人才培养提供参考.

下肢截肢患者心血管系统集中参数模型的血流动力学数值研究

下肢截肢虽已发现是心血管疾病的可能危险因素,但潜在的生物力学机制仍未得到充分了解。该研究的目的是了解术后不同时期和生活状态下肢截肢患者的心血管血流动力学状况,以评估异常血流动力学对心血管系统的影响。该文建立了含下肢动脉的心血管系统集中参数模型,模拟了截肢术后、术后成熟期和术后长期久坐三种常见的截肢患者状态。该文以7名下肢截肢患者超声实测下肢动脉直径为模型的参数设置参考。通过将正常人模型和下肢截肢模型的血压和血流量波形对比分析,发现截肢术后血管收缩压和舒张压幅值上升,腹主动脉及以下的动脉流量峰值明显下降;术后成熟期和长期久坐血压在舒张期早期峰值上升。这种异常的血流动力学变化可能是下肢截肢患者患高血压与心室肥大等心血管疾病的危险因素。该文建立的集中参数模型提供了截肢后血流动力学的变化规律,可为未来截肢患者康复治疗和心血管疾病预防提供理论指导。

静脉支架力学性能的研究现状

静脉狭窄是一种常见的病理状态,经皮腔内支架植入是当前的主要治疗手段,其本质是支架提供适配的力学性能使得静脉恢复正常生理状态。但目前存在忽略动脉与静脉差异,使用动脉支架进行静脉狭窄治疗的问题,其治疗效果不佳甚至引起诸多并发症。本文简要介绍了目前静脉支架制造的常见设计与产品,总结了静脉支架研究中被重点关注的各项力学性能及其所受不同设计的影响,包括径向支撑力、慢性外扩力、单向抗压力、径向抗压力、柔顺性、径向回缩、轴向短缩,最后结合静脉血管和静脉狭窄的特殊性对相应力学性能要求进行了提炼概括。

静脉血流动力学计算方法研究进展

血流动力学模拟一般是采用计算流体动力学方法,对动脉血管进行数值模拟,获得血液和血管的力学信息。随着静脉疾病获得越来越多的关注,在静脉进行血流动力学计算就和动脉有较大的差异。我们分析了近10年在静脉进行血流动力学研究的文献,从动脉-静脉的形态学入手,分析动脉血流动力学常见的入口参数和计算设置,提出更适合静脉进行血流动力学模拟的计算方法。

COVID-19疫情中的生物力学问题

新型冠状病毒肺炎自爆发以来,已成为全球关注的焦点。由于疫情来势迅猛,给医疗制度体系、医疗资源、应急处置、医疗器械等提出了严峻的挑战,也暴露出其中诸多不足。以病毒的体外活性规律研究、气溶胶传播的生物力学问题、呼吸性疾病对心血管疾病影响的研究、公共交通和公共场所中通风方式的改进、医疗器械的生物力学研究为例,应用生物力学的原理、观点和方法,认识和剖析其中所存在和亟待改进的问题,期望生物力学能在疫情防控中发挥学科优势和力量,以此促进生物力学学科发展。

理论力学与计算机计算教学深度改革的实施经验和体会

本文依照四川大学某理论力学教学班实际教学改革的经验,通过具体举例说明计算机技术在理论力学教学中尚未开发的巨大潜力,减小数学运算使学生重点关注理论力学基本原理,批量求解使学生提前接触实际应用案例,普适性求解使学生深化对处理多变量问题的认识。同时本文还探讨了理论力学教学改革的方向和目的,即把教学重点放在普适的教学方法上,借助计算机求解多刚体、多变量问题,以期有助于理论力学教材更好地适应时代发展。

气道支架力学设计与数值模拟研究进展

气道狭窄是一种先天性或由感染、肿瘤、外伤、结核等疾病引起的临床常见疾病,国内常见的病因有气管支气管结核、良性或恶性肿瘤等,植入气道支架已经成为介入治疗气道狭窄的主要方式。气道支架由硅酮支架到激光雕刻、编织支架,其材料与构型一直在不断更替改进。气道支架植入后仍然存在支架发生移位、气管出现肉芽肿、再狭窄等问题未解决,这些问题往往与支架植入后对气管组织整体产生的力学作用相关。本文总结归纳气道支架的力学性能以及支架与气管的典型数值模拟研究。力学性能包括支架的径向力、扭结阻力与屈服应力,其常受支架材质、构型设计、制作工艺等综合影响;而数值模拟方法能高效地对支架研发提供技术支持,为支架材料选取、设计改进与制造工作提供参考。

下肢血管热扩张对全身血流动力学影响的预测

目的热疗是一种用于心血管护理有趣的策略,但局部干预疗法尚未得到足够的关注。确定以足浴为基础局部干预对全身血流循环的影响。方法招募10位健康受试者,采用激光多普勒血流仪测量小腿皮肤加热前后的血流灌注变化。水温控制在40℃和44℃。测量小腿8个点位,包括胫外、胫内、外踝、内踝、脚背、后跟、脚掌和大趾。同时,记录心率变化。通过各部分体表面积及其对应的皮肤灌注差异,建立涉及局部皮肤血流灌注的闭环模型,主要包括头、上肢和颈、前胸后背、前腹部。

隔振橡胶材料超弹性本构模型适用性研究

填充橡胶材料在工程减隔振结构中广泛应用,对其超弹性力学特性的准确模拟对工程结构的服役性能准确预测至关重要。针对一种隔振橡胶材料试样进行了单轴拉伸(UT)、单轴压缩(UC)和简单剪切(SS)试验等3种基本材料力学试验,对其超弹性力学行为进行了表征,讨论了在3种力学试验数据不全的情况下4种常用超弹性本构模型预测其他变形模式的能力,并提出了3个误差评价指标和1个拟合优度系数R来评价拟合精度。最后,根据研究结果,讨论了不同试验条件下超弹性材料本构模型的适用性并给出了选择建议。

植入用Ti-6Al-4V合金模拟体液浸泡后高频和超高周疲劳性能

目的为预测植入用Ti-6Al-4V钛合金的使用寿命,研究其在模拟体液浸泡后,107周次以后的超高周疲劳性能。方法将Ti-6Al-4V钛合金试样在模拟体液中分别浸泡2 d和6 d;利用超声疲劳实验技术,在室温下分别对这两组试样进行超高周疲劳性能测试;利用电子显微镜观察疲劳断口并对裂纹源进行X射线能谱分析,研究其裂纹萌生机理,并与未经浸泡的同种材料的超声疲劳性能进行对比分析。结果模拟体液浸泡后的材料的S-N曲线与未经浸泡时的趋势相近,在104～108周次范围内的疲劳寿命都呈连续下降状态,在107～108周次循环范围内曲线下降趋势有所变慢;模拟体液浸泡后的试样在107周次之前寿命下降更快,107周次之后模拟体液浸泡过的试样寿命比未处理的试样寿命低;浸泡6 d后的试样的寿命和浸泡2 d后的相差不大。疲劳循环超过107周次后,仍然发生疲劳断裂,并不存在传统意义上的疲劳极限。疲劳寿命108周次以后的试样疲劳裂纹在内部萌生,一般为铝元素聚集区;疲劳寿命107周次以前裂纹一般萌生于试件表面,有些试件出现了多处裂纹源。结论模拟体液浸泡会降低Ti-6Al-4V钛合金的超高周疲劳性能;随着循环周次的增加,裂纹萌生由试件表面向其内部转换。

Q345桥梁钢焊接接头超高周疲劳性能

采用超声疲劳振动技术研究了桥梁钢Q345qC的母材和圆形对接焊接接头试件的高周与超高周疲劳性能.试验发现,在105～109循环周次内焊接接头的疲劳性能远低于母材,且无论是母材还是焊接接头其S-N曲线都是呈连续下降趋势.当母材服役超过107周次,焊接接头服役超过5×106周次以后,试件仍然发生疲劳断裂.结果表明,焊接接头试件断口位置主要位于熔合区的焊趾处或焊接接头表面几何非连续处;在高应力区,疲劳失效多发生于接头表面几何非连续处,在低应力区,疲劳失效多发生于焊趾处.

基于3D打印技术的定制脊柱侧弯矫形器数字模块化设计研究

针对传统脊柱侧弯矫形器存在设计效率低、贴合性差、加工周期长等问题,本研究基于色努矫形原理,提出采用3D打印技术定制脊柱侧弯矫形器模块化的流程方法。通过构建脊柱侧弯矫形器及调整垫块的三维模型,利用RODIN4D软件分析预测计算矫正过程中的生物力学变化,提出一种矫形器模块化调整的方法。根据个体特征,定制矫正时不同阶段涉及的调整垫块所需的形变量,进行多阶段垫块的3D预制打印,实现矫形调整垫块精准的空间填充与生物力学边缘的高效贴合。基于3D打印技术的个性定制矫形器在治疗周期中模块化调整演进,可以有效提升医师的设计效率,保证患者的穿戴舒适度以及治疗效果。

智能驾驶实时目标检测的深度卷积神经网络

为提高深度学习神经网络运行速度,满足智能驾驶对算法实时性的要求,基于一种一体化实时目标检测算法YOLO和一种目标检测网络模型Faster RCNN,提出一种结合两者特点的实时目标检测神经网络。该网络保留区域卷积神经网络(R-CNN)算法的二次检测模式和区域生成神经网络RPN,去掉先验框,采用YOLO直接预测位置。结合Mask R-CNN中的ROI-Align方法进行二次位置修正,减少了Faster R-CNN中ROI-pooling所带来的位置预测偏差。对改进后的网络在KITTI数据集上进行测试,结果表明:改进后的神经网络检测一次仅耗时38 ms,检测的平均精确度高于YOLO和Faster RCNN,且对于不同大小的目标都具有很好的泛化能力。

细胞喷墨打印喷嘴长度对流场影响的数值研究

主要分析基于压电的喷墨打印喷嘴长度对细胞损伤因素的影响。数值模拟和理论分析。随着喷嘴长度的增加,管中的整体压力明显增大。但切应力的大小没有改变,其分布位置随着喷嘴增长而被拉长,从而使切应力梯度减小。喷嘴越长,越有利于液滴的分离和降低切应力梯度对细胞的拉伸作用,但易增加压力损伤和增加所受疲劳的周次,降低细胞的存活率。

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。

老年人心血管疾病康复研究现状及展望

随着中国老龄化进程的加快,中国将面临更大心血管疾病挑战。文章首先分析运动康复中的不足,并就医药、饮食、危险因素几个方面进行阐述,以及对中国康复条件进行数据分析。

LASIK手术剩余基质床厚度安全保留值的数值模拟

目的分析准分子激光原位角膜磨镶术(laser-assisted in situ keratomileusis,LASIK)手术不同剩余基质床厚度(residual stromal bed thickness,RSBT)在不同眼压(intraocular pressure,IOP)下对角膜几何变形和应力变化的影响,并评估3种RSBT保留值(250、280、300μm)的安全性。方法利用ABAQUS有限元软件建立正常角膜与术后不同RSBT角膜的有限元模型,设置合适的加载与边界条件,计算得出相应的位移与应力。结果RSBT=250μm的术后角膜在IOP=2.66 k Pa作用下和正常角膜在IOP=5.32 k Pa作用下产生的顶点位移基本相等。RSBT=280μm处于圆锥角膜发病低危区,而RSBT=250μm已经进入高危区;RSBT为280~300μm之间某值时,应力分布规律与正常角膜基本一致。RSBT=300μm时,角膜基质层的张应力强度丧失约40%。结论RSBT=300μm为LASIK手术比较合理的最低保留值,RSBT=250μm是高风险值,在RSBT=330~340μm时,对大部分患者来说,LASIK手术足够安全。

基于OpenFOAM的不同网格数下并行计算性能分析

当前,高性能计算极大地促进了众多领域的发展,因此,探究高性能计算的潜在的运算能力尤为重要。本研究基于自由、开源的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)平台OpenFOAM,测试了一个多核计算集群在不同网格数和计算节点数下的并行计算时间,通过分析加速性能和计算效率来探究其潜在的运算能力。结果表明,多核并行计算很难达到理想的线性加速性能,甚至当计算能力达到饱和时,加速性能反而下降。同时,随着网格数量的增加,即计算规模的增大,计算效率也越来越高。本研究对于实现基于OpenFOAM的最佳多核并行计算策略具有一定参考价值。

肺泡气流空气动力学数值模拟计算研究进展

肺部疾病因其种类繁多、成因复杂、发病率高、治疗困难等,已成为威胁人类生命健康的一大杀手,部分疾病会对肺泡形态学和组织学产生较为明显的影响。基于计算流体力学的肺泡数值模拟,即对肺泡力学响应及肺泡内流场信息、多相流、物质传递等方面进行数值模拟,对肺部疾病诊断、临床治疗和体外实验有重大意义。该文从几何模型和力学模型的简化及病理差异入手,分析并总结了其在肺泡气流动力学计算方法的条件设置与应用场景,以为肺泡区开展进一步的模拟与应用提供参考。

压制工艺和粒径对粉末冶金Ti-1Al-8V-5Fe合金组织性能的影响

采用粉末冶金技术以氢化钛(TiH2)粉和不同粒径的元素粉体为原料制备Ti-1Al-8V-5Fe(Ti-185)合金,研究了压制工艺对不同粒径元素粉制备的Ti-185合金组织及性能的影响。结果表明:当压制压力在800 MPa、保压时间80 s、压制速率为1 mm/s时,Ti-185生坯密度最高,为最佳压制工艺。由粒径较小元素粉制备得到的Ti-185合金晶粒越细小,合金的烧结致密度就越高。粉末粒径越小,烧结过程中合金元素实现合金化需要扩散的距离就越短,越有利于合金力学性能的提高,其中具有最小粒径的样品表现出最高的硬度(43HRC)和强度(1438 MPa)。