骨水泥假体柄与股骨界面应力传递简化模型

将股骨、骨水泥和假体柄看成为线弹性和各项同性材料结合的同心圆锥体,建立包含热效应时的轴对称界面应力传递简化模型.在骨水泥、假体柄承受压缩应力的状态下,应用弹性力学的基本方程,获得了假体柄、骨水泥、股骨轴向应力以及界面剪切应力随轴向位置的分布.界面失效是假体柄、骨水泥、骨结构承载的主要失效形式.热残余温差的存在,加速了假体柄、骨水泥和股骨界面的失效和假体柄的松动,加剧了股骨应力遮盖效应,这主要是骨水泥具有较高的热膨胀系数所致.由于Ti-6Al-4V（钛合金）材料的弹性模量和热膨胀系数比钴铬合金小,在一定程度上缓和了界面和股骨的失效,这和临床所见一致.     

人工髋关节假体柄形状设计

在人工髋关节假体柄承受压力作用下，假设股骨和假体柄为完全结合的同心圆柱体，建立了一个相对完善的界面应力传递理论模型，获得了界面剪切应力和径向应力随轴向位置变化的分布.界面最大的剪应力发生在z=0处,即股骨颈的截面上.随着z的增大,界面剪应力呈幂指数减小.重要的是使得股骨假体柄与股骨之间界面应力在假体柄轴向上沿长度保持为一定常数且与施加于假体柄z=0处的压力相平衡,这样就不会出现股骨局部应力集中和假体柄下沉的现象.假设0相似文献   

股骨假体结构与材料性能分析及多目标优化

为依据患者个体信息获得优选的假体结构及假体材料,利用患者CT体数据集提取股骨内外轮廓线,并通过三维建模软件分别获得股骨和假体模型,对股骨和假体进行虚拟装配,通过力学计算得到最优股骨假体结构模型,利用有限元分析方法获得股骨假体额定载荷、疲劳寿命、应力遮挡率、最大变形量,依据模糊物元分析方法实现多目标优化设计,最终获得最优球头和假体柄材料匹配模型.将该方法应用于优选实例,结果表明:依据专门患者CT图像,通过完整的优选流程后,确定出最优假体结构为椭球形球头和定制式假体柄组合,最优材料匹配方案为碳纤维增强的聚醚酮复合材料球头和锆铌合金材料假体柄匹配方案.该方法为股骨假体的优选提供了有效参考.     

基于Hertz接触理论的涂层界面应力分析

应用大型有限元分析软件ANSYS 8．1，对接触载荷条件下涂层材料的应力场进行了数值模拟．通过比较有限元解与经典Hertz解析解验证了有限元模型的可信度；分析了不同涂层厚度、不同涂层／基体弹性模量比情况下，接触应力分布情况及接触宽度随着载荷的变化情况．数值模拟结果表明：涂层／基体界面剪应力峰值出现在略偏离界面中心位置；涂层／基体界面正应力峰值出现在界面中心位置；涂层／基体的弹性模量比在1～2．5之间取值时，对涂层／基体结合效果较为有利；涂层过薄容易导致界面剪应力过大，致使材料失效．模拟结果能够为涂层材料的力学研究及设计提供参者．     

复合人工髋关节骨结合区力学行为的有限元分析

同种异体骨复合人工髋关节置换术后不同时期,人工髋关节、骨水泥及其周围骨,特别是宿主骨和异体骨结合区的生物力学数据是复合关节设计、手术及术后康复训练方案制定的重要依据之一.基于患者的CT扫描数据,建立复合人工髋关节移植治疗股骨近端骨缺损的三维有限元模型,选用1.5倍、2.5倍70 Kg标准体重进行生理加载,计算术后结合区骨愈合3个阶段的力学性质.结果表明,术后初期,结合区弹性模量较低,在其中部及周围骨水泥中有较严重的应力集中,骨水泥中的最大应力超过了其抗压强度,存在失效风险;随着结合区的愈合,结合区组织由骨痂发展为自然皮质骨,组织的弹性模量逐渐增高,结合区中的应力屏蔽得到改善,骨水泥中的应力集中同时得到缓解,并最终接近自然骨.采用多孔羟基磷灰石生物陶瓷(HA)作为骨组织支架材料充填结合区,可有效降低结合区的应力屏蔽,提高其力学安全性.     

基于ABAQUS的径向井水泥环应力分布规律研究

为保证径向井配合水力压裂技术的改造效果,需对水泥环的应力分布规律及稳定性进行研究。基于水泥环应力分布理论模型,通过ABAQUS有限元软件建立以胜利油田某油藏物性参数为基础的储层力学模型,模拟真实条件下套管-水泥环-地层系统的应力分布,并对模拟结果进行多角度分析。数模结果表明,水泥环内界面相比外界面应力数值更高、波动更大,是第一危险界面;随水平地应力比的增加水泥环应力分布更加不均匀,数值波动更大,高水平地应力比显著不利于水泥环的结构稳定;钻孔数量、材料物性均影响水泥环上的应力分布,建议优化钻孔数量并使用低弹性模量、高泊松比的水泥。最后通过灰色关联方法分析了上述因素对水泥环应力分布的影响程度。     

冷却速度对SiCp/2024Al热残余应力影响的数值模拟

针对冷却速度对SiCp／2024Al复合材料热残余应力的影响，通过复合材料显微组织观察，根据复合材料的形貌特征，建立了平面应力状态的复合材料组织模型，利用有限元方法对SiCp／2024Al复合材料淬火和退火过程的热应力进行了数值模拟．结果表明，由于SiC增强颗粒与铝基体之间的热膨胀系数差异较大，热处理后颗粒和基体的界面附近产生很大的热残余应力场，同时基体发生塑性应变；冷却速度对复合材料热残余应力没有明显影响．     

烟囱砖砌体裂缝产生的力学机制

针对电厂烟囱砖砌体常出现裂缝的现象,利用在极坐标下弹性力学基本方程,推导出烟囱砖砌体的环向应力和应变与材料热膨胀系数、弹性模量、温度之间的关系,分析了烟囱砖砌体裂缝与环向应力和应变、轴向变形约束的关系,提出了防治裂缝产生的6项措施。     

Monel-400合金管多道轴向焊接残余应力有限元分析

以热-弹塑性理论为基础,建立了10 mm厚Monel-400合金管多道轴向焊接残余应力的三维有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件,模拟了Monel-400合金中厚壁管纵焊对接的应力分布.结果表明,在焊缝一定距离处截面的节点应力随焊接道次的增加而不断变化;外表面节点X方向的应力为拉应力,中间节点和内表面节点应力为压应力;该截面处节点的径向和轴向应力均为压应力,中间节点压应力最大;材料冷却10 s后各方向的残余应力小于材料的屈服点应力;焊接热影响区的残余应力分布有利于减少材料的应力腐蚀,提高管道的使用寿命.     

微电子封装中焊锡接点的界面应力奇异性

采用界面力学理论计算了不同形状的含铅/无铅焊锡接点界面应力奇异性指数,建立了焊锡接点的有限元模型,计算了线弹性、弹塑性和Johnson-cook材料模型的界面应力分布.结果表明:随着焊锡接点接触角的增加,界面应力奇异性增强;Sn37Pb/Cu界面比Sn3.5Ag/Cu和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面的应力奇异性明显;弹塑性变形和应变率效应降低界面应力.     

钛合金颅骨修复体的多点成形数值模拟

采用动态显式有限元软件,针对钛合金网板与压力机基本体直接接触、在基本体和钛合金网板之间放置聚氨酯弹性垫、在基本体和钛合金网板之间放置聚氨酯弹性垫和钢质垫板并使用压边圈3种不同的成形工艺进行数值模拟研究。模拟结果表明:采用前两种成形工艺得到的钛合金颅骨修复体表面出现压痕或起皱缺陷,采用在基本体和钛合金网板之间放置聚氨酯弹性垫和钢质垫板并使用压边圈这种成形工艺时,可以抑制压痕和起皱的产生,获得良好的成形效果。实验验证结果表明,应用多点成形技术,运用合理的成形工艺可以成形合格形状的钛合金颅骨修复体。     

Thermal evaluation of the injectable liquid metal bone cement in orthopedic treatment

The thermophysical properties of bone cement are important parameters for its application in the orthopedic treatment. This article focused on the thermal evaluation of the low-melting-point metal(Bi In Sn alloy), which has been proved to be an excellent bone cement. Firstly, the basic thermophysical properties of Bi In Sn alloys with different melting points were measured.Secondly, 15 fresh porcine femurs placed in the saline bath, bone cements with different melting points and amounts were injected into the bone cavities, respectively. Thermocouples were used to measure the temperature changes of the bone-cement interface and peripheral bone tissue. The possibility of thermal necrosis was evaluated. Moreover, a three-dimensional human knee model was built to numerically assess the effects of thermal parameters, such as melting point and latent heat on tissue temperature distribution. All the experimental and numerical results implied the heat distribution in the tissue depended on the thermal performances of liquid metal bone cement(LMBC). For LMBC of the same melting point, with increased amounts, the damage to the bone tissue is more severe, while for the same amount of different melting point LMBCs, with the higher melting point, which will lead to more serious damage to the tissue. Also, higher latent heat of LMBC has distinct longer solidification process, which may cause irreversible damage to surrounding tissues. Therefore, in the future, for different clinical surgery needs, the appropriate liquid metal bone cement can be obtained by adjusting the thermal parameters.     

Design of Implant Prosthesis for Bone Injury Repair Considering Stress Shielding Effect

The failure of bone injury repair surgery is mostly due to the stress shielding effect caused by the difference of elastic modulus between the implant prosthesis and human bone, resulting in a great damage to patients. To solve this problem, in this study, the influencing factors of the elastic modulus of implant prosthesis were investigated, the relationship between the elastic modulus of the implanted prosthesis and the influencing factors was analyzed, and then a design method of the implant prosthesis to reduce the stress shielding effect by adjusting the unit module to control the elastic modulus was established. This method was used for the biomechanical simulation to simulate the displacement and stress distribution between the implant prosthesis and the surrounding bone tissue, and then the reliability of the method was verified. The implant prosthesis with an elastic modulus consistent with that of the experimental dog bone was made by this method, and used for the animal experiments. The effects of implant prosthesis with different modulus on the growth of surrounding bone tissue were observed, and at the same time, the reliability of the implant design method and the results of biomechanical simulation were verified. It is confirmed that this method can effectively reduce the stress concentration of implant prosthesis by more than 15.4% and increase the growth of bone tissue by more than 21%.     

TC4钛合金在不同温度下的剪压缩失效

利用Fallwerk试验装置,在高应变率(102s-1)下,采用动态剪压缩试验研究TC4钛合金不同温度下的剪压缩失效现象。通过试验发现:相同温度下,流变应力随应变的增大不断增加,到达峰值后发生应力塌陷,即剪切失效;相同应变下,温度越高,材料的屈服强度和流变应力均明显下降,且峰值应力向应变增大的方向移动,即塑性变形能力逐渐加强;温度升高,材料的剪切失效能力减弱,在673 K至873 K温度区间内存在一个温度极限值。在该极限值以下,材料易发生剪切失效。同时,根据试验数据拟合了峰值应力和最大塑性应变与温度的曲线方程,为钛合金的研究提供了理论依据。     

碳纳米管增强钛基复合材料的界面应力分布

为了了解工业领域中综合性能优异的金属基复合材料,采用结构分析软件ANSYS建立了有限元模型,研究了复合材料界面应力场的分布情况.结果表明,在受压载荷作用下,钛基复合材料发生屈服现象的可能性较小,但碳纳米管的顶部界面边缘处出现了明显的应力集中现象,导致此处发生断裂破坏的可能性相对较大.在拉伸载荷作用下,钛基复合材料的应力分布比较均匀,且未出现明显的应力集中现象,因而复合材料发生屈服、断裂破坏的可能性较小.当碳纳米管的相位角为15°时,复合材料发生界面脱离和基体开裂的可能性相对较小.     

用MPC黏结CFRP布约束混凝土柱轴压试验研究

为了解决传统纤维布(fibre reinforced polymer/plastic,FPR)加固都采用有机胶作为黏结剂,存在容易老化、不耐火等问题,将无机新型黏结材料磷酸镁水泥(MPC)与有机胶(EP)分别黏结碳纤维布(CFRP布)1~3层约束素混凝土柱进行了轴压试验,得出了破坏形态、受压强度模型、应力-应变规律.通过比较研究认为:磷酸镁水泥黏结CFRP约束混凝土柱与有机胶黏结时,受压破坏形态一致,受约束柱强度提高,应力-应变规律一致,且磷酸镁水泥作为黏结剂时,约束构件受压破坏过程中表现了较好的延性.     

氢、氧对TCA机械性能和表面质量的影响

钛合金由于其比重小、重量轻、耐腐蚀性能好，在航天、航空和军事领域应用广泛。空间相机大量采用TC4做结构件，相机在空间承受温度场的作用，应力状态会发生变化。另外钛化学活泼性极高，氢、氧元素在工件加工和使用时进入钛合金内部，并对其机械性能和表面质量产生影响。本文介绍了氢、氧对钛合金的机械性能和表面质量的影响规律。