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非对称型假体设计及全膝关节置换后的力学分析

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中国组织工程研究 2025年第3期29卷 510-516页

作者：苏德君董万鹏董跃福张吉超张震上海工程技术大学材料科学与工程学院上海市201620 徐州医科大学附属连云港医院江苏省连云港市222061

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... 详细信息

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。

关键词：膝关节全膝关节置换非对称型假体设计生物力学有限元分析

Si-Ga共掺杂金刚石铜复合材料界面性能的第一性原理研究

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原子与分子物理学报 2025年第3期42卷 159-165页

作者：曾勇谋刘莹胡梦晗王铁彬于捷曹宇周晓龙梧州学院机械与资源工程学院梧州543002 昆明理工大学材料科学与工程学院昆明650093 梧州学院梧州风光能源装备工程技术研究中心梧州543002

为了研究金刚石/铜复合材料界面性能,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Si和Ga原子掺杂金刚石/铜界面结构形成能、态密度、电荷密度.结果表明:形成能越低掺杂的界面结构越稳定,所以Si原子掺杂间隙2位置的金刚石(100)/铜(111)... 详细信息

为了研究金刚石/铜复合材料界面性能,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Si和Ga原子掺杂金刚石/铜界面结构形成能、态密度、电荷密度.结果表明:形成能越低掺杂的界面结构越稳定,所以Si原子掺杂间隙2位置的金刚石(100)/铜(111)界面模型最稳定(-7.339 eV),Si原子掺杂第一层Cu原子位置金刚石(111)/铜(111)界面最稳定(-2.846 eV),Ga原子掺杂间隙1位置的金刚石(100)/铜(111)界面模型最稳定(-5.791 eV),Ga原子掺杂第一层Cu原子位置金刚石(111)/铜(111)界面最稳定(-0.895 eV).由于Si-Ga原子共掺杂金刚石(100)和铜(111)界面形成能降低(Ef=-13.259 eV),费米能级处态密度有所增加(7.578 electrons/eV),电子转移形成键合,Si-Ga原子共掺杂金刚石(100)/铜(111)间隙位置的界面最稳定.因此Si-Ga原子共掺杂是提高金刚石/铜界面界面性能的有效手段.

关键词：掺杂界面性能复合材料第一性原理

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生物炭表面NO吸附特性的量子化学研究

原子与分子物理学报 2025年第5期42卷 7-16页

作者：朱世遥薛婕雯张雨轩陈斌武卫东上海理工大学上海200093 上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

生物炭表面具有丰富的官能团,通过化学吸附可以与一氧化氮(NO)分子形成稳定化学键,廉价易得且环境适应性强,具有广阔的应用前景.然而,当前对生物炭表面NO吸附特性的研究大多仍停留在宏观层面,缺乏深入的微观机制解析.本文基于密度泛函理... 详细信息

生物炭表面具有丰富的官能团,通过化学吸附可以与一氧化氮(NO)分子形成稳定化学键,廉价易得且环境适应性强,具有广阔的应用前景.然而,当前对生物炭表面NO吸附特性的研究大多仍停留在宏观层面,缺乏深入的微观机制解析.本文基于密度泛函理论,深入研究了生物炭表面一氧化氮(NO)的吸附转化路径,从分子层面揭示了生物炭对NO的吸附特性.研究结果显示,N-down型吸附构型的能量普遍低于O-down型吸附构型,是较为可能的吸附构型,并且含氧原子的官能团在NO的吸附和氨(NH_(3))的形成过程中扮演着关键角色.此外,通过对N-down型构型的进一步分析发现,在与活性位点结合后,NO将优先取代羟基,最终在生物质焦炭表面转化为NH_(3).同时,基于变分过渡态理论(CVT)计算了反应速率,发现NO优先反应的途径将受到不同区域内反应速率的限制.本文通过量子化学方法深入揭示了生物炭表面NO吸附特性的微观机制,为优化生物炭在NO治理中的应用提供了理论支持.

关键词：吸附生物炭密度泛函理论

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电解水制氢技术：进展、挑战与未来展望

工程科学学报 2025年第2期47卷 282-295页

作者：张正宋凌珺北京航空航天大学交通科学与工程学院

实现全球碳中和是各国在2050年制定的重要目标之一，旨在减缓气候变化的不良影响.氢能作为一种极具潜力的清洁能源，凭借其高能量密度、零碳排放、可再生性强等特性，被视为实现能源转型与应对气候变化的重要载体.为了实现这些目标，利... 详细信息

实现全球碳中和是各国在2050年制定的重要目标之一，旨在减缓气候变化的不良影响.氢能作为一种极具潜力的清洁能源，凭借其高能量密度、零碳排放、可再生性强等特性，被视为实现能源转型与应对气候变化的重要载体.为了实现这些目标，利用电解水制取氢气已经成为解决全球碳中和问题的重要关键方案之一.本文综述了碱性电解水、质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水和固体氧化物电解水制氢技术的最新进展，并对这四种电解水技术的工作原理、结构特点以及优缺点进行了详尽比较.此外，总结了电解水制氢催化剂材料的研究进展，尤其是新型材料的开发与结构优化，旨在提升材料的催化活性与稳定性.讨论了海水电解制氢和耦合制氢等新兴技术，强调通过电解质组成优化、高效双功能催化剂开发及利用小分子氧化反应热力学优势，可有效提升电解水制氢效率和系统稳定性.最后，提出了电解水制氢技术的发展趋势与未来研究方向，包括提升催化剂性能、降低电解过程能耗、开发新型电解设备等，旨在促进电解水制氢技术的进步，助力全球碳中和目标的实现，并为未来的研究提供参考与指导.

关键词：碳中和氢能电解水制氢催化剂电极材料

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后续热处理对激光3D打印GH4099合金微观组织和高温力学性能的影响

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金属学报 2025年第01期 165-176页

作者：赵亚楠郭乾应刘晨曦马宗青刘永长天津大学材料科学与工程学院

激光粉末床熔融（LPBF） 3D打印技术具有跨维度多尺度成形的技术特点，同时表现出非平衡快速凝固的冶金特征，与传统制造工艺形成的微观组织存在明显差异。基于传统制造工艺发展而来的热处理工艺难以适用于LPBF制备的样品，因此，研究L... 详细信息

激光粉末床熔融（LPBF） 3D打印技术具有跨维度多尺度成形的技术特点，同时表现出非平衡快速凝固的冶金特征，与传统制造工艺形成的微观组织存在明显差异。基于传统制造工艺发展而来的热处理工艺难以适用于LPBF制备的样品，因此，研究LPBF打印件专用的后续热处理制度对于其组织和性能调控具有重要的意义。本工作以LPBF制备的GH4099合金为研究对象，研究了后续热处理对3D打印高温合金非平衡微观组织和高温力学性能的影响。结果表明，固溶处理不仅影响打印组织的再结晶行为，而且也与碳化物和γ'相的析出行为密切相关，因而对GH4099合金的高温延伸率影响较大。LPBF制备GH4099合金中的多尺度异质结构使其组织热稳定性明显高于传统铸锻件，因此需要更高的固溶热处理温度以促进其完全再结晶。经1150℃固溶处理1.5 h后，GH4099打印件中柱状晶转变为等轴晶并形成大尺寸孪晶，同时晶界处M23C6碳化物的析出也受到抑制。在随后的时效热处理过程中，由于再结晶释放了3D打印晶粒内部储存的畸变能，使得基体中γ'相的析出受到了明显抑制。基于上述结果，通过优化热处理制度，GH4099合金打印件实现了高温强度和塑性的良好匹配。

关键词：激光粉末床熔融非平衡组织热处理 γ'相高温力学性能

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功能性近红外光谱技术研究的可视化分析

中国组织工程研究 2025年第22期29卷 4832-4840页

作者：翟艺凡李红霞田水承程启威甄欣悦西安科技大学管理学院陕西省西安市710699 西安科技大学安全科学与工程学院陕西省西安市710699 西安科技大学材料科学与工程学院陕西省西安市710699

背景:近年来,功能性近红外光谱技术因便携性、低成本、非侵入性和高时间分辨率的特点,在认知神经科学、临床医学和工程技术等领域展现出广泛的研究意义和应用潜力。目的:分析近10年来功能性近红外光谱技术的研究进展、热点问题及前沿趋... 详细信息

背景:近年来,功能性近红外光谱技术因便携性、低成本、非侵入性和高时间分辨率的特点,在认知神经科学、临床医学和工程技术等领域展现出广泛的研究意义和应用潜力。目的:分析近10年来功能性近红外光谱技术的研究进展、热点问题及前沿趋势。方法:在Web of Science数据库中检索2013-01-01/2023-11-30发表的功能性近红外光谱技术相关文献,运用CiteSpace和VOSviewer软件对发文统计量、期刊、国家、机构、作者和关键词进行可视化分析。结果与结论:共纳入2 714篇文献进行研究,近10年有关功能性近红外光谱技术的文献总量整体呈上升趋势。选择的2 714篇文献,来自68个国家2 400个机构的9 171名作者,共发表在495种期刊上,美国和英国伦敦大学是代表性的国家和机构,Ehlis和Fallgatter是该研究领域具有影响力的2位作者,《神经影像》期刊以高引用率位居首位。功能性近红外光谱技术研究主要来自英国伦敦大学、中国北京师范大学和德国图宾根大学。使用VOSviewer 1.6.20生成的关键词共现网络图揭示了6个研究集群,通过分析各集群的具体关键词进一步把握了该领域的研究热点。关键词的突现分析揭示了研究前沿和发展趋势,为功能性近红外光谱技术未来研究方向提供了重要指导。

关键词：功能性近红外光谱技术 CiteSpace VOSviewer 文献计量学知识图谱可视化分析

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多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法

控制与决策 2025年第1期 38-47页

作者：鲜江峰马俊领吴华锋梅骁峻谭拂晓张媛媛陈信强王维军上海海事大学物流科学与工程研究院上海海事大学商船学院上海海事大学物流工程学院常州工学院计算机信息工程学院集美大学航海学院

水声传感网(underwater acoustic sensor networks, UASNs)是水下物联网的主要技术,为海洋生态环境监测和水下搜救等应用提供了较好的技术手段和信息感知平台.在UASNs应用中定位至关重要,因为没有精确位置信息的数据收集将无利用价值.然... 详细信息

水声传感网(underwater acoustic sensor networks, UASNs)是水下物联网的主要技术,为海洋生态环境监测和水下搜救等应用提供了较好的技术手段和信息感知平台.在UASNs应用中定位至关重要,因为没有精确位置信息的数据收集将无利用价值.然而,由于存在路径损耗、吸收损耗、设备发射功率不确定以及水下环境参数未知等不利因素,使得在复杂动态海洋环境中实现鲁棒精确定位较为困难.为此,提出一种多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法(coarse-to-fine localization method for UASNs under unknown multi-parameters, CFL-UMP).首先,利用一阶泰勒级数展开和若干近似操作,将原非线性非凸定位问题转化为交替非负约束最小二乘框架;然后,粗定位阶段基于Golub-Kahan双对角化的最小二乘残差(LSMR)算法求解得到位置估计近似解,然而LSMR通常只能快速收敛到局部最优解,因此在精细定位阶段引入二分法,将第1步粗估计得到的近似解作为二分法的初始值,通过迭代同时得到水下目标位置、路径损耗因子以及发射功率的精确解;接着,为了验证CFL-UMP算法的优越性,分析CFL-UMP算法的计算复杂度,并推导出克拉默-拉奥下界;最后,与所选基准算法相比,通过仿真结果证实了CFL-UMP在不同水下模拟场景中均能获得最优的定位精度,且能够有效降低水下定位误差.

关键词：水声传感网目标定位接收信号强度多参数未知最小二乘残差算法二分法

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基于变密度法的SLM增材制造无人机承载接头结构拓扑优化设计

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工程科学学报 2025年第1期47卷 56-65页

作者：原帅超王建峰段宇航郝璐静占小红南京航空航天大学材料科学与技术学院南京211106

针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核... 详细信息

针对某大型无人机机身轻量化需求,以选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)制造的承载接头结构为研究对象建立有限元模型,基于ANSYS Workbench计算接头结构在不同极限工况下的强度、刚度性能,并根据材料最大许用应力准则进行校核.采用拓扑优化变密度法,以应力最小化为目标、保留质量40%为响应约束,对接头结构进行拓扑优化,根据优化结果设计两种重构方案并进行静力学验证.结果表明,两种模型重构方案分别减重了13.8%和13.3%,在轻量化程度相近的情况下,方案Ⅱ明显具有更小的应力分布以及变形程度,即最优重构方案成功实现轻量化设计,与原结构件相比质量减轻13.3%,且相较于其他方案承载能力最强,满足静态结构设计要求.为大型无人机承载接头结构实现低成本、轻量化的结构设计探索了新的途径.

关键词：拓扑优化静力学分析增材制造轻量化设计结构设计

应用型人才培养实践教学内容体系构建——以上海应用技术大学材料科学与工程学院为例

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山东化工 2020年第3期49卷 124-124,126页

作者：柳艳芳田甜汪沉沉代丽宗路艳上海应用技术大学

实践教学培养学生的实践动手能力创新精神和创业能力,是高校培养高素质人才的重要途径。笔者从构建实践教学体系的重要性入手,构建了由常规实践教学项目和特色实践教学项目组成的实践教学内容体系,并致力于构建符合时代发展需求的实践... 详细信息

实践教学培养学生的实践动手能力创新精神和创业能力,是高校培养高素质人才的重要途径。笔者从构建实践教学体系的重要性入手,构建了由常规实践教学项目和特色实践教学项目组成的实践教学内容体系,并致力于构建符合时代发展需求的实践教学内容体系。

关键词：应用型实践教学内容体系构建