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不同数值方法模拟皮质骨结构弯曲断裂的准确性

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中国组织工程研究 2024年第12期28卷 1895-1900页

作者：范若寻刘杰贾政斌扬州工业职业技术学院交通工程学院江苏省扬州市225000 吉林化工学院航空工程学院吉林省吉林市132022 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市100191

背景:当前针对皮质骨结构的断裂模拟主要有基于单元瞬时失效、连续损伤力学以及扩展有限元理论3种方法。虽然断裂模拟文献众多,但却鲜有研究比较3种断裂方法的模拟精度。目的:探究3种数值方法模拟皮质骨结构弯曲断裂的准确性与适用性。... 详细信息

背景:当前针对皮质骨结构的断裂模拟主要有基于单元瞬时失效、连续损伤力学以及扩展有限元理论3种方法。虽然断裂模拟文献众多,但却鲜有研究比较3种断裂方法的模拟精度。目的:探究3种数值方法模拟皮质骨结构弯曲断裂的准确性与适用性。方法:首先针对大鼠股骨样本进行三点弯曲实验,然后依据样本微观扫描影像建立大鼠股骨有限元模型,分别采用3种数值方法模拟皮质骨结构在三点弯曲载荷下的断裂,通过将预测断裂载荷及断裂模式与实验结果进行对比,以判定各方法模拟皮质骨结构弯曲断裂的准确性。结果与结论:①由于单元失效策略不同,3种数值方法针对同一股骨有限元模型预测所得断裂进程存在明显差异;②结果显示基于连续损伤力学理论的断裂模拟与实验结果一致性更好;③通过与实验对比可以找到更适合模拟皮质骨结构弯曲断裂的数值方法,通过观测不同数值方法预测断裂参数差异并解析差异存在的原因,能够为各数值方法确定断裂模拟的适用范围,以提高仿真精度。

关键词：皮质骨断裂模拟单元瞬时失效连续损伤力学扩展有限元

不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率预测

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中国组织工程研究 2024年第36期28卷 5779-5784页

作者：范若寻王溢童贾政斌扬州工业职业技术学院交通工程学院江苏省扬州市225000 吉林化工学院航空工程学院吉林省吉林市132022 吉林大学机械与航空航天工程学院吉林省长春市130025

背景:临界能量释放率是结构在破坏过程中可测得的一个全局断裂力学参数,即使针对同一结构,在不同失效模式下其数值也可能存在差异。目的:提出一种方法预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。方法:针对大鼠股骨皮质骨结构进... 详细信息

背景:临界能量释放率是结构在破坏过程中可测得的一个全局断裂力学参数,即使针对同一结构,在不同失效模式下其数值也可能存在差异。目的:提出一种方法预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。方法:针对大鼠股骨皮质骨结构进行三点弯曲与轴向压缩实验以及相应断裂仿真。通过对有限元模型赋予不同临界能量释放率进行断裂模拟,并将每次模拟所得载荷-位移曲线与实验数据进行比较,当仿真与实验所得断裂参数差异小于5%时,即代表拟合成功,以此反演预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。结果与结论:①结果显示大鼠股骨皮质骨结构在三点弯曲载荷下主要发生拉伸破坏,该失效模式下所预测临界能量释放率为0.16N/mm;②在轴向压缩载荷下主要发生剪切破坏,所预测临界能量释放率为0.12N/mm,这说明同一皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率存在差异;③此文通过对结构力学性能与损伤机制进行综合分析,揭示了不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率存在差异的原因,为能量释放率测量以及准确的皮质骨断裂模拟提供理论依据。

关键词：临界能量释放率皮质骨失效模式三点弯曲轴向压缩

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皮质骨微观能量释放率与大鼠月龄关系

医用生物力学 2024年第4期39卷 631-636页

作者：黄丽萍王溢童胡辰吴华杰贾政斌范若寻扬州工业职业技术学院汽车轻量化工程技术研究开发中心江苏扬州225127 吉林大学机械与航空航天工程学院长春130025 吉林化工学院航空工程学院吉林吉林132022

目的预测大鼠股骨皮质骨微观能量释放率,探究微观能量释放率随大鼠月龄的变化关系。方法依托前期实验数据,结合皮质骨断裂模拟数值方法,对比仿真与实验测得载荷-位移曲线及断裂模式,反演预测不同月龄大鼠股骨皮质骨的微观能量释放率。... 详细信息

目的预测大鼠股骨皮质骨微观能量释放率,探究微观能量释放率随大鼠月龄的变化关系。方法依托前期实验数据,结合皮质骨断裂模拟数值方法,对比仿真与实验测得载荷-位移曲线及断裂模式,反演预测不同月龄大鼠股骨皮质骨的微观能量释放率。结果经预测得到1、3、5、7、9、11、15月龄大鼠股骨皮质骨微观能量释放率分别处于0.08~0.12、0.12~0.14、0.15~0.19、0.25~0.28、0.23~0.25、0.19~0.22、0.13~0.16 N/mm。结论微观能量释放率随月龄增长而下降导致失效载荷降低,说明微观能量释放率是决定骨折发生的主要因素之一,但断裂时刻却未观察到明显下降,说明微观能量释放率与结构断裂时刻未呈线性正比关系。研究结果能够从临床层面协助解释皮质骨的骨折发生机制。

关键词：微观能量释放率皮质骨压缩断裂月龄

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压缩载荷下不同应变判定皮质骨断裂准确性分析

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医用生物力学 2023年第4期38卷 718-723页

作者：刘杰戴晓锋吴华杰范若寻贾政斌扬州工业职业技术学院交通工程学院江苏扬州225000 吉林化工学院航空工程学院吉林吉林132022 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191

目的寻找适合压缩断裂工况下的应变判据。方法基于连续损伤力学理论进行皮质骨在压缩载荷下的断裂模拟。分别将等效应变与主应变设置为有限元模型单元损伤与失效判据进行断裂模拟,通过对比两种预测结果与动物实验数据,探究应用两种应变... 详细信息

目的寻找适合压缩断裂工况下的应变判据。方法基于连续损伤力学理论进行皮质骨在压缩载荷下的断裂模拟。分别将等效应变与主应变设置为有限元模型单元损伤与失效判据进行断裂模拟,通过对比两种预测结果与动物实验数据,探究应用两种应变判据进行断裂模拟的准确性。结果应用等效应变判据模拟的断裂时间晚于应用主应变模拟;相比等效应变,应用主应变进行仿真所得结果与动物实验结果更为接近。结论压缩载荷下,应用主应变判定皮质骨单元力学状态进行断裂模拟较为准确。通过对比分析找到准确模拟皮质骨在压缩载荷下断裂的数值方法,能够为临床中提高骨折预测精度提供理论基础。

关键词：皮质骨压缩载荷压缩断裂主应变等效应变

胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为影响的数值仿真研究

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胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为影响的数值仿真研究

作者：贾政斌吉林大学

学位级别：硕士

全膝关节置换术是治疗膝关节疾病的有效手段,随老年人口的日益增多,在未来将有更多患者接受全膝关节置换术的治疗。然而,胫骨假体植入后会造成应力遮挡与应力集中,从而诱发胫骨骨量分布异常,导致病人术后疼痛并增大假体松动的风险。因... 详细信息

全膝关节置换术是治疗膝关节疾病的有效手段,随老年人口的日益增多,在未来将有更多患者接受全膝关节置换术的治疗。然而,胫骨假体植入后会造成应力遮挡与应力集中,从而诱发胫骨骨量分布异常,导致病人术后疼痛并增大假体松动的风险。因为假体的构型以及材料等设计因素会直接影响胫骨的应力遮挡与应力集中情况,所以假体的设计因素一直备受关注。本文通过数值仿真的方法,研究胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为的影响。研究分为以下两个部分:本文第一部分建立了三维胫骨和假体的有限元模型,结合骨重建算法定量地研究了非骨水泥型胫骨假体柄的材料与长度对胫骨骨重建行为的影响。采用柄的长度有三组,分别为110 mm、60 mm和30 mm,每组长度采用四种材料,分别为钛合金(Ti)、理想骨材料和两种功能梯度材料(FGM),FGM的组分分别为Ti和胶原-羟基磷灰石(FGM I),及Ti和生物玻璃(FGM II)。从胫骨骨密度分布、von Mises应力分布、柄与胫骨接触面切应力三方面研究柄的几何长度与材料对应力遮挡、应力集中,以及假体稳定性的影响。本文的研究结果表明:在长度方面,长柄会比短柄造成更严重的应力遮挡与应力集中,但是长柄造成的接触面切应力更小,会为假体提供更好的稳定性;在材料方面,与Ti相比,FGM I可以减小宿主胫骨的应力遮挡与应力集中情况,并提供更小且更均匀的接触面切应力,减小假体松动的风险;此外,当柄的材料属性接近骨的材料属性时,它的弹性模量变化才会对应力遮挡情况产生显著影响;最后,与柄的长度相比,材料对胫骨近端骨重建的影响更为显著。鉴于假体长度往往受限于假体的固定方式和病人胫骨的解剖结构,从材料方面对柄进行改进更具灵活性与可行性。从微创手术的角度考虑,应减小假体对胫骨骨组织的破坏;另外,考虑到胫骨结构以及生理载荷的非对称性,应设计体积分数较小的非对称假体结构用于全膝关节置换术。本文第二部分将拓扑优化理论与有限元分析相结合,对骨水泥型胫骨假体柄与加强肋区域进行优化设计。以设计域的高中低三种体积分数(分别为70%、50%和30%)为约束条件,结构的最大刚度为目标函数,分析所得结构对胫骨力学环境的影响,并得出理想的假体构型。结果表明:当松质骨区域与胫骨托盘距离小于20 mm时,拓扑优化后的三组假体均可以减缓应力遮挡情况;当该距离为30 mm-40 mm时,拓扑优化后的假体可以显著地减轻应力集中情况,其中以70%体积分数为约束的假体减缓应力遮挡效应最为明显。因此胫骨假体以较高的体积分数(70%左右)为约束时,获得的拓扑优化构型更为合理。分析原始的与优化后的假体构型差异发现,去除加强肋以及柄的前外侧区域,有助于减缓胫骨前外侧区域的应力遮挡,以及底端的应力集中情况。本文先将骨重建算法与有限元分析相结合,研究了非骨水泥型胫骨假体柄的材料与长度对胫骨骨重建过程的影响;然后建立了骨水泥型胫骨假体与胫骨的有限元模型,结合拓扑优化理论,探究体积分数优化后的假体结构对胫骨力学环境的影响。为胫骨假体的设计提供了理论依据,有助于提高胫骨假体使用寿命,并减轻病人疼痛。

关键词：骨重建算法有限元分析拓扑优化全膝关节置换术

基于内侧半月板结构设计的仿生假体有限元分析

同方学位论文库评论

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吉林大学学报（工学版） 2021年第6期51卷 2319-2324页

作者：左建林刘恩渤贾政斌徐圣昊肖建林吉林大学中日联谊医院骨科长春130033 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191 北京航空航天大学生物力学与力生物学教育部重点实验室北京100191

基于人体内侧半月板结构设计了游离式仿生内侧半月板假体,置换临床中无法修复的半月板。通过三维有限元分析方法,对假体进行了力学分析,验证了其可行性。数据结果显示,与健康半月板相比,半月板假体应力较高,两组模型高应力分布区域均在... 详细信息

基于人体内侧半月板结构设计了游离式仿生内侧半月板假体,置换临床中无法修复的半月板。通过三维有限元分析方法,对假体进行了力学分析,验证了其可行性。数据结果显示,与健康半月板相比,半月板假体应力较高,两组模型高应力分布区域均在内侧中后部;所设计的半月板假体与健康半月板具有相似的生物力学性能。数据结果验证了假体的主要优势在于,其不需要额外固定模式,因而避免了因假体固定失效造成的失败。

关键词：仿生工程半月板生物力学有限元分析

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砂黏统一本构模型的一种简单广义化方法

西南交通大学学报 2024年

作者：崔凯王孝文贾政鹏吴博涵袁冉西南交通大学土木工程学院西南交通大学交通隧道教育部重点实验室

为了实现对砂土和黏土在广义应力条件下力学响应的统一描述，本研究基于变换应力法与状态参数理论，在临界状态概念的基础上，提出了一种广义应力空间下的砂、黏统一临界状态本构模型，即CASM-SG模型。新提出的CASM-SG模型在不引入额外... 详细信息

为了实现对砂土和黏土在广义应力条件下力学响应的统一描述，本研究基于变换应力法与状态参数理论，在临界状态概念的基础上，提出了一种广义应力空间下的砂、黏统一临界状态本构模型，即CASM-SG模型。新提出的CASM-SG模型在不引入额外材料材料参数的前提下，通过变换应力法将传统的二维临界状态屈服面推广到三维应力空间；本研究进一步地推导了CASM-SG模型的完整本构框架并通过一致性条件确定了CASM-SG模型的塑性模量和弹塑性刚度矩阵的显式表达式。最后，CASM-SG模型被用于预测Hostun砂土和Fuiinomori黏土分别在排水和不排水三轴压缩和拉伸条件下的力学响应。模拟结果表明，新提出的CASM-SG模型能够较好地预测砂土和黏土在广义应力条件下的应力应变关系，剪胀行为，有效应力路径等，并能更为准确地模拟光滑应力-应变曲线及土体的应变软化行为。

关键词：广义应力空间砂土黏土本构模型变换应力法

湖北省武穴中学二00六年保送生素质测试卷(数学)

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初中数学教与学 2006年第6期 33-36页

作者：贾政斌湖北省武穴市实验中学

铅铋快堆堆芯包壳多场耦合腐蚀行为的数值模拟研究

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原子能科学技术 2024年

作者：贾政刘莉包睿祺罗皓天袁俊杰顾汉洋上海交通大学核科学与工程学院

铅铋快堆中液态铅铋（LBE）腐蚀结构材料是制约铅铋快堆发展的关键难题之一，液态铅铋流动过程中对结构材料的侵蚀作用不可忽视。为开展高温液态铅铋环境下堆芯燃料包壳动态腐蚀特性研究，本文针对包壳管候选材料T91钢建立氧化、还原、... 详细信息

铅铋快堆中液态铅铋（LBE）腐蚀结构材料是制约铅铋快堆发展的关键难题之一，液态铅铋流动过程中对结构材料的侵蚀作用不可忽视。为开展高温液态铅铋环境下堆芯燃料包壳动态腐蚀特性研究，本文针对包壳管候选材料T91钢建立氧化、还原、侵蚀耦合腐蚀模型，结合计算流体力学(CFD)方法，对燃料包壳表面腐蚀现象进行模拟研究，并对影响腐蚀的关键因素进行分析。研究结果表明：一定铅铋流速下，燃料组件内沿液态铅铋流动方向，包壳表面温度越高，尖晶石层平衡厚度越厚，包壳厚度损失速率越高，运行800 h后，燃料组件仅剩出口处残留磁铁矿层；随着燃料组件入口液态铅铋流速的增加，包壳厚度损失速率越高；当入口流速为2 m/s，氧化层稳定情况下，中心棒的包壳厚度损失速率为0.044 98 mm/a；当燃料组件包壳表面氧浓度大于发生氧化反应的最低值时，包壳厚度损失速率随包壳表面温度升高而增加；当包壳表面氧浓度小于发生氧化反应的最低值时，包壳会直接被液态铅铋溶解，溶解速率高达上千mm/a。

关键词：铅铋快堆氧化侵蚀计算流体力学