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单晶陶瓷心脏瓣膜的寿命估算
单晶氧化铝陶瓷复合材料已被考虑用于制造人工心脏瓣膜，因此首先要对陶瓷碟瓣的疲劳性能进行研究。本文对单晶氧化铝陶瓷制成的斜碟式心脏瓣膜进行静态和动态疲劳裂纹扩展分析以及寿命估算，其中包含24℃潮湿空气和37℃ Ringer液体(模拟的生理环境)二种环境条件下穿透裂纹、表面裂纹和角裂纹等多种损伤情况。结果表明，在500mmHg静态和脉冲压力作用下，当碟瓣上的表面裂纹或角裂纹大小一旦达到了疲劳裂纹扩展的阀值，它们会很快向厚度方向扩展变成穿透裂纹，然后停止扩展；而对于穿透裂纹情况，人工心脏碟瓣不会发生疲劳破坏。
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有限元法分析不同侧方跌倒角度下股骨颈骨折裂纹扩展的断裂力学特征
背景:目前骨折发生机制的分析主要通过分析静态受力分布(Von Mises应力云图)来判断应力集中部位,预测骨折发生的起始点.然而骨骼是各向异性的弹塑性材料,传统准静态有限元分析无法给出具体断裂起始点及骨折发生发展过程.因此,在骨科有限元研究领域引入断裂力学的概念是具有实际意义的.目的:模拟不同侧方跌倒角度对股骨颈骨折裂纹扩展的影响.方法:选取1名健康志愿者的股骨原始CT数据,导入Mimics 19.0软件,经区域增长、编辑笼罩、光滑、包裹等重建股骨近端三维有限元模型,并在Hypermesh 14.0中进行网格划分、定义材料属性、设定边界条件、加载载荷,模拟股骨中立位0°、内旋30°、外旋30°、内收30°跌倒状态等前处理,将生成的K文件导入LS-DYNA求解器中运算.结果与结论:①股骨内收模型早发生股骨颈断裂失效,外旋模型迟;②4种模型的应力集中及骨质断裂均早出现在股骨颈外上侧,内下侧继而出现裂纹并与之相融合,形成GardenⅡ 型骨折;③股骨颈骨折Linton角以内收模型小,外旋模型其次,中立位模型与内旋模型差异无显著性意义(P=0.387);④股骨颈外上侧为压力侧,内下侧为张力侧;除内收模型,其余模型的股骨颈内下侧可出现压力向张力转换的应力分布;⑤提示不同侧方跌倒角度在时间和空间上会影响股骨颈骨折裂纹扩展行为.
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年龄变化对人牙本质裂纹扩展升阻能力的影响
目的 通过有限元数值计算的方法研究年龄变化对牙本质断裂力学行为的影响.方法 根据典型的紧凑拉伸试件形式建立有限元模型,采用内聚力模型分别模拟裂纹在年轻和老龄牙本质中稳态扩展的过程,并进行比较.结果 老龄牙本质的扩展断裂韧度和断裂韧度趋于恒定时的值分别为0.51、1.19 MPa·m1/2,显著小于年轻牙本质的相应值(7.48、1.71 MPa·m1/2);然而,这两者之间的初始断裂韧度相差比较微小,年轻和老龄牙本质的初始断裂韧度分别为0.51和0.38 MPa·m1/2.结论 随着年龄的增长,牙本质抵抗裂纹扩展的能力发生了明显的减弱.基于内聚力模型的数值方法能够很好地预测牙本质等力学性能与年龄相关的生物硬组织材料的裂纹扩展行为.
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多孔生物陶瓷与PVA水凝胶复合材料的制备与力学性能分析
目的 将多孔生物陶瓷和聚乙烯醇(PVA)水凝胶交联成为一个仿生软骨-硬关节双层结构,并对该结构的微观形貌和力学性能进行分析.方法 以羟基磷灰石(HA)为基体,采用添加碳酸氢铵( NH4HCO3)晶粒造孔的方式制备不同孔隙率的多孔羟基磷灰石生物陶瓷,以聚乙烯醇(PVA)为主要原料,环氧丙烷为交联剂,在多孔生物陶瓷表面及基体内交联制备出PVA水凝胶形成双层结构,对试样的断口形貌进行表征,对试样的拉伸强度和剪切强度等性能进行测试分析.结果 交联的PVA水凝胶可以渗入到生物陶瓷基体表层以下的孔隙中,并且陶瓷基体和PVA水凝胶有很好的结合.随着多孔生物陶瓷孔隙率的增大,试样的大拉伸和剪切负载均增大,平均孔隙率为70％试样的大拉伸和剪切负载分别为153.61N和64.46 N;而相应的拉伸和剪切强度略有下降,平均孔隙率为30％试样对应的大拉伸和剪切强度分别为2.12 Mpa和1.13 Mpa.两者的失效形式均是因为裂纹的扩展,断口的微观形貌表明,断裂面存在明显的裂纹和内部缺陷,同时可观察出裂纹源和扩展方向.结论 考虑到多孔生物陶瓷基体的强度,平均孔隙率为50％的多孔生物陶瓷的渗入效果适中,试样的拉伸强度和剪切强度、多孔生物陶瓷基体的压缩强度也有一定的保证,选择孔隙率为50％的试样较为合适.
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切口角度和深度对氧化锆陶瓷断裂过程中裂纹扩展的影响
为了比较研究切口角度和深度对氧化锆陶瓷断裂过程中裂纹扩展的影响,本实验制做了尺寸为4.4 mm×2.2 mm×18 mm的氧化锆陶瓷试样,将试样分成6组,每组10个.制备了与试样的长轴方向夹角分别为30°、60°及90°,且深度为1 mm和2 mm的切口.将试样置于万能力学测试机上加载至断裂后,观察各组试样的断裂曲线,并在体视显微镜下在试样断端的裂纹扩展路径上采点,标注坐标,用origin软件进行曲线拟合.结果显示:当切口角度β=90°时,试样裂纹扩展为纯Ⅰ型；当β=60°时,试样裂纹扩展以Ⅰ型为主；当β=30°时,试样裂纹扩展为Ⅰ-Ⅲ复合型.随着切口深度的增加,切口角度对裂纹扩展方向的影响增加.此外,切口方向对于裂纹的扩展也是一个非常重要的断裂力学参数,随着切口深度的增加,切口角度对裂纹扩展方向的影响增加.
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有限元法初步探讨釉牙本质界对裂纹的阻断机制
目的：通过有限元方法计算裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化和裂纹扩展的路径。方法用ANSYS软件建立釉牙本质界结构的有限元模型，在模型的单边缘设置长度为0.1mm的初始裂纹，该数值试样的底端固定，顶端受有б=1MPa的均匀拉伸载荷，加载频率为5Hz。利用ANSYS软件计算裂纹在扩展过程中裂纹尖端的应力强度因子和裂纹在扩展过程中的偏斜角度。结果裂纹到达釉牙本质界时应力强度因子会突然降低并且在釉牙本质界内随裂纹的延伸而降低。裂纹在釉质和牙本质内的偏斜角度小于15°，当裂纹扩展到釉牙本质界时会出现大的偏斜角度，裂纹尖端出现应力降低的现象。结论由于裂纹尖端应力强度因子在釉牙本质界处的降低以及裂纹偏斜，釉牙本质界可能具有阻断裂纹扩展的作用。
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一种工业CT的短裂纹群扩展检测新方法
常规无损检测方法难以对构件内部短裂纹的启裂和扩展过程进行有效的监测.工业用计算机断层成象(ICT)作为一种先进的无损检测手段,有着其它常规无损检测方法所无法比拟的独特的优越性.本文采用近年来在工业CT和疲劳断裂研究方面取得的新成果,提出一种基于图像密度场的疲劳短裂纹扩展监测新方法.实验证明,该检测方法能得到更为准确的寿命预测精度.
