头部有限元模型（精选四篇）
头部有限元模型 篇1
据统计, 全球15%的交通事故发生在中国[1], 而且未来几年中国的交通损伤存在着有增无减的趋势。头部损伤在事故损伤中占有较大的比例, 而且由于其功能的特殊性, 头部损伤造成的伤害也最大, 根据国外统计资料, 颅脑撞击损伤的发生率高达54%[2], 是伤后致死、致残的首要原因。头部创伤在所有人体创伤中的比例约34%, 在导致死亡的创伤中比例更高达68%[3]。因此, 对于头颈部损伤研究, 了解头部损伤形式、损伤机理、耐受限度以及防护方法, 在道路交通碰撞中保护头颈部有重要意义。
迄今为止, 研究人员已经建立了各种各样的有限元模型[4,5]。本文主要以已有的头部有限元模型[6]为基础, 基于国外不同时期经典的尸体实验的数据, 对模型颅内压力、动力学响应参数以及颅-脑相对位移进行验证分析。
1 头部碰撞有限元模型的验证
1.1有限元模型的建立
2013年, 新加坡国立大学Tse等[6]结合了磁共振和计算机断层扫描技术, 开发了一个50百分位人体头颈有限元数学模型。该模型的主要结构包括:颅骨和脑膜, 其中颅骨表现为三层骨板结构, 一层松质骨夹在两层密质骨之间, 而且密质骨和松质骨的厚度不一样, 分别为2.5 mm和5 mm。颅骨组织采用brick单元定义材料类型, 材料属性定义为线弹性材料, 模型仿真验证如图1所示。
将计算得到的仿真结果与实验结果进行了对比, 与国外Nahum等人的经典实验曲线做了对比。实验曲线是对填充泡沫材料的颅脑模型碰撞得到的, 所以在波峰处产生了约0.002 s的延迟缓冲。总体看实验结果与仿真结果吻合较好。
如图2所示, 在每个测量位置, 模型仿真得到的颅内压力曲线与实验曲线分布趋势相似。碰撞侧的压力仿真数值受实验值影响较大, 如图2-1所示, 撞击部位得到的颅内压力相对实验较低。同样的现象出现在上、下枕测量位置, 如图2-3、图2-4所示。碰撞对侧测得的压力曲线与实验曲线吻合较好, 如图2-2所示。
仿真中, 碰撞冲击对侧周围的压力峰值相对实验较高, 这一现象可能由于模型在验证时, 没有考虑到脑脊液流动对颅内压力的影响, 因此需要进一步研究。而且各测量点达到最大压力峰值的时间也不相同, 主要是由于仿真与实验头部模型的几何尺寸差异。与实验曲线对比, 模型仿真曲线呈现明显的振荡甚至出现负压值。
2 结语
本文验证了一个基于人体解剖学结构的头颈部碰撞损伤有限元模型, 结果显示, 其建立的颅脑有限元模型具有较好的稳定性以及生物逼真度, 能够正确的反映在碰撞过程中颅内生物力学响应, 模型具有较高的生物逼真度, 可以用于典型交通伤的损伤机理研究。
摘要：通过构建50百分位成年男性的头部有限元模型, 基于国外不同时期经典的尸体实验数据, 比较了实验与仿真中头部模型不同位置的颅内压力分布参数。结果表明, 建立的模型具有较高的生物逼真度, 能运用在汽车碰撞头部损伤生物力学研究。
关键词：汽车碰撞,头部有限元模型,验证,损伤生物力学
参考文献
[1]Carl RS, Brian I, Karen AS.Traumatic brain injury in the United States:an epidemiologic overview[J].Mt Sinai J, 2009, 76 (2) :105-110.
[2]王正国.交通事故伤研究近况[J].中华创伤杂志, 1996, 12 (6) :12.
[3]Gennarelli, T.A., Champion, H.R., Copes, W.S.Importance of Mortality from Head Injury in Immediate Survivors of Vehicular Injuries[C].Proceeding of the1992 International IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impacts, 1992:167-178.
[4]Ruan JS, Khalil T, King AI.Human head dynamic response to side impact by finite element modelling[J].J Biomech, 1999, 113:276-283.
[5]Zhou C, Khalil T, King A.A new model comparing impact responses of the homgeneous and inhomogeneous human brain[J].Stapp Car Crash J, 1995 (39) :121-137.
头部有限元模型 篇2
基于有限元的一类stefan问题数值模型研究
该文给出基于有限元方法的一类一维stefan问题的数值求解过程及算法.模型的建立基于已知的相变界面和固定边界处测得的温度和热流.模型的精度通过与Neumann获得的解析解的`比较而得到验证.文中所讨论的模型可以用于反Stefan问题中自由边界的实时跟踪或者控制.最后,比较了已有的有限元模型,给出了仿真结果.
作 者：王新房 汪春华 吴光超 WANG Xin-fang WANG Chun-hua WU Guang-chao 作者单位：西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西,西安,710048刊 名：自动化技术与应用英文刊名：TECHNIQUES OF AUTOMATION AND APPLICATIONS年，卷(期)：26(5)分类号：N945.12关键词：模型 有限元法 相变
钢结构施工力学有限元模型研究 篇3
引言
大跨度空间钢结构其荷载、刚度以及边界条件是分步形成的，呈现出时变的特性，仅仅按照传统设计方法考虑整体结构建模，进行一次性施加荷载是远远不够的，施工过程力学的多变性对结构内力、荷载、刚度和变形的影响更大，结构施工完成后须满足正常承载力状态和变形极限状态两个基本条件。
钢结构施工力学原理
所谓施工就是把结構一定的次序先后形成，钢结构施工也不例外，但是钢结构在施工过程中整个结构的几何形状、荷载、刚度和边界条件是不断发生变化的，其特点是施工过程中上一阶段的结构内力和位移将会会对下一阶段的内力和位移产生影响，即已施工的结构相对于要建结构来讲已经有初始内力、初始变形和初始应力，而要建的结构将对已施工结构的受力状态也将产生内力和变形的影响。
施工力学分析方法
ANSYS是一个通用的大型有限元软件，大多数单元都具有被“激活”和“杀死”的功能，通常称为生死单元功能，即通过控制单元的“生”和“死”来模拟施工过程的构件先后顺序，结构的刚度矩阵、位移矩阵、荷载矩阵随着结构的增加不断地修正，不断地迭代计算，从而求得最后的结果。其功能可以描述如下：（1）“激活单元”是指结构按照先后顺序依次“激活”这一阶段的单元，并施加这一阶段所对应的荷载，不断地计算得到结构的内力与变形。如果结构上未作用新的荷载，结构的某些单元被激活，原有结构所产生的内力和变形不发生变化；结构上的新增荷载与原有的荷载一起影响结构的刚度，从而重新修正刚度，影响了结构的内力与变形，跟踪模拟结构的全变形。（2）“杀死单元”是指使单元处于初始状态即没有任何变形和内力的作用，这样结构在某一状态下，某些构件失效，那么它的荷载与刚度就发生了变化，对其他的结构也就产生影响。
钢结构施工有限元分析
1.钢结构施工分离建模
分离建模技术，即按照结构形成的先后顺序建模，但是实际工程建模较复杂，结构的截面信息、所施加的荷载、连接情况有很多的不同，从而采用一套不变的建模方案则是不可取的，也是很麻烦的，分离式建模技术则是把相同的信息放在一起，形成总的刚度矩阵，这样把所有的矩阵集成整体矩阵，从而省掉了不必要的麻烦，也给计算带来的方便，加速计算与处理，保证了结果的准确性，所以大型结构建议采用分离式建模。
2. 钢结构施工有限元分析
结构在施工过程中是逐层承受荷载的，并引起结构相应的内力和变形，每次对结构施加荷载时，结构便形成刚度，便产生内力与变形。当增加下一结构时，所施加的荷载与原来形成的荷载一起影响结构的变形与内力，这样不停地变化，内力与变形也在不停地发生变化，每次形成矩阵不断地迭代求解，有限元则是采用单元生死技术来控制结构的先后顺序，模拟变形，得到所需要的结果。
结构施工建模步骤如下：（1）建立构件三维空间有限元模型，形成结构整体刚度矩阵；根据施工步骤划分施工阶段，分阶段建模。（2）利用有限元软件ANSYS的单元生死技术钝化所有施工步（包括构件及其相应的边界条件、荷载和约束），先将整体结构建模，按照施工的顺序，将未建造结构单元的刚度矩阵乘以一个很小的缩减因子，即单元生死系数，这样单元就处于失效的状态下；（3）将单元载荷、质量、应变和刚度设为0值，未建结构单元的质量、刚度对已建结构不产生任何影响。（4）按结构实际施工顺序，激活当前安装施工步，逐层激活结构单元，使单元载荷、质量、刚度等随着施工的顺序发生变化，从而不停地迭代计算来模拟结构逐级加载的情况。（5）每激活一次结构单元，就计算一次结构总刚度矩阵，结构总刚度矩阵逐步得到修正，结构的内力和变形不断地变化，模拟的应力应变也随着发生变化。
结论
（1）钢结构施工力学问题属于时间与空间相互关联的力学问题，分析的难点在于结构时变、材料时变以及边界时变的模拟。
（2）采用单元生死技术与分离建模相结合，多步骤分析求解，不断实现结构刚度矩阵修正，模拟结构施工的全过程。
（3）简单的结构的受力分析可采用单元生死技术，而对复杂结构的受力计算则采用分步建模技术会更方便、更精确。
（4）根据结构的施工模拟结果，选择合理的施工方案与工艺，优化结构的设计，使得实际工程施工更加安全。
火箭模型头部薄壁椭圆件的加工 篇4
火箭模型(图1)是我院自行设计的工艺品,由六个零件组成,这里只探讨火箭模型头部薄壁椭圆件(图2)的加工。该零件总体是由椭圆形的内外回转曲面构成的零件,右端有一段高度为2mm的圆柱,零件内壁口部有内螺纹。
1零件工艺分析
1.1零件的结构特点及技术要求分析
零件结构看似简单,但由于结构特殊,故难以加工。从零件图和装配图分析得知该零件具有以下特点:
1)外椭圆长轴为120mm,短轴为54mm,内椭圆长轴为100mm,短轴为40mm,内外椭圆长轴方向有3mm偏心。零件平均厚度在7mm左右,相对较薄。由于装夹,切削应力等原因,薄壁件在加工过程中容易出现变形[1]。
2)零件端部有一宽度为2mm,直径为的圆柱面,为与其他零件的配合面,公差是0.016mm,需保证精度要求。其他尺寸无精度要求,可用IT9-IT11精度。
3)零件有内螺纹孔;外表面粗糙度要求较高为Ra0.8μm,内表面粗糙度要求一般;零件表面要光滑,不能有毛刺,划痕等。
1.2零件加工工艺分析
1)由零件结构分析可知,为保证外椭圆面光滑,无毛刺及表面粗糙度和尺寸精度的要求,外表面需分粗、精加工,并一次装夹完成粗、精加工。
2)零件内外轮廓,需分开加工。若先加工好外轮廓面,再加工内轮廓时无法装夹。而内轮廓有螺纹,加工时可以先装夹外圆加工内轮廓,如图3,然后加工一工艺辅助件用螺纹与工具连接,加工外轮廓时装夹在辅助件上,如图4。
3)因为内表面为椭圆形曲面,无中心孔,加工时选用主副偏角较大的刀具,且要求刀尖与工件回转中心线绝对对正,如图5。
4)为保证同轴度、垂直度等,加工内轮廓时以毛坯外圆为基准。加工外轮廓时,需用百分表找正。
2零件的加工工艺编制
2.1刀具及切削用量的选择
由前面对零件结构特点、刀具要求的分析,选择加工刀具,并确定切削参数,见表1。
2.2零件的加工工艺方案
2.2.1夹持毛坯外圆面加工内孔
a.钻中心孔;
g.用内三角螺纹刀加工M41×1.5的内螺纹。
2.2.2加工辅助件
a.用90°偏刀加工端面和的外圆;
b.用三角螺纹刀加工M41X1.5的外螺纹,并用加工了内螺纹的零件与之相配,保证螺纹能配合。
2.2.3加工外轮廓面
把待加工外轮廓的零件和工艺辅助件旋合,夹持辅助件的外圆加工外轮廓面,见图4。
3编程加工
加工时选用FANUC系统数控车床,零件内外轮廓均为椭圆曲线,可以用软件绘图编程,也可以用宏指令手工编程加工。因为单件加工,且仅有椭圆曲线,综合考虑用宏指令手工编程加工。零件内外轮廓的粗精加工可以用G71循环指令实现。表2为部分加工程序。
4总结
实践证明毛坯材料、刀具种类、装夹方法、加工顺序、走刀路线、切削参数等工艺内容直接影响薄壁零件的表面粗糙度和尺寸精度。宏程序和循环程序的应用能大大减少程序的长度,减少出错的几率,提高加工效率。
参考文献
[1]张保伟,黄新.基于组合式夹具的异形薄板加工工艺[J].机械制造,2014,12:73-74.