時間：2023-06-25 16:22:45
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇元分析研究方法，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關(guān)鍵詞：人事測評 效度概化 元分析
0 引言
人事測評經(jīng)過將近一個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在人力資源管理實踐中發(fā)揮了重要的作用。早期的測評研究大多聚焦于預(yù)測指標(biāo)的開發(fā)和構(gòu)思驗證，并在此基礎(chǔ)上作出人事決策。在人事測評的效度上，過去的研究認(rèn)為：測驗受情境特殊性影響很大，測驗的效度必須在每一施測的特定領(lǐng)域和情境建立方才有效。從而人事測評就一直面臨著兩個方面的難題:一是測評工具的效度與被試的工作種類的關(guān)系問題;另外就是在類似情景下，采用類似測評工具對從事類似工作的人員進行測驗時，效度波動的解釋問題。工業(yè)與組織心理學(xué)家(如Guion和Ghiselli等)認(rèn)為:由于在不同情境下看似相同的工作，具有截然不同的本質(zhì)，所以人事測評的效度(主要指效標(biāo)效度)具有情景特異性——同樣的人事測評工具在不同的情景下會表現(xiàn)出截然不同的效度。而效度概化理論認(rèn)為，各測驗的效度系數(shù)間之所以會有變異產(chǎn)生而無法達(dá)到概化的程度，主要是一些人為的誤差因素造成的。若將這些誤差來源去除后，則各研究的效度系數(shù)應(yīng)該相當(dāng)類似。
效度概化(validity generalization)受到了心理學(xué)界的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為元分析的三大主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。在心理測量學(xué)、工業(yè)與組織心理學(xué)以及人事測評等領(lǐng)域，效度概化均已產(chǎn)生了強烈影響。研究者用效度概化理論來檢驗“情景特異論”的可靠性，發(fā)現(xiàn)通過研究設(shè)計來控制那些可能會影響效度的因素之后，在不同情景下所得到的效度就會表現(xiàn)出明顯的一致性。該結(jié)論對工業(yè)與組織心理學(xué)來講是具有里程碑意義的，意味著人事測評不再是一種技術(shù)，而是一門科學(xué)。很多歐美國家的政府部門、勞動中介機構(gòu)以及大企業(yè)均已把效度概化的結(jié)論作為人事測評有效性的重要依據(jù)。而在中國，此方面的研究還剛剛起步。
1 效度概化原理
效度概化理論綜合應(yīng)用了心理測量學(xué)和心理統(tǒng)計學(xué)的原理，把以往特定領(lǐng)域的人事測評研究結(jié)果匯總起來，然后采用元分析的方法對已有的效度資料進行綜合分析，從而對特定測評工具的效度進行評估。效度概化的實質(zhì)就是使用元分析的方法、思路，對包括測量誤差在內(nèi)的統(tǒng)計性偏差(statistical artifacts)進行統(tǒng)計矯正，最后估計出真實效度值。它是心理測量理論和元分析的結(jié)合體，因而也被稱作心理測量型元分析(psychometricmeta-analysis)。心理測量學(xué)考慮了測評工具的測量誤差;元分析考慮了測評研究的取樣誤差。而效度概化的優(yōu)勢就在于它既考慮了測評工具的測量誤差，又考慮了其取樣誤差。
2 效度概化在人事測評中的應(yīng)用
在近幾十年里，效度概化研究在人事測評的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了非常顯著的成績，促進了人力資源管理，澄清了一些人事決策的迷霧，提供了關(guān)于個體認(rèn)知能力、人格維度、工作知識、專業(yè)技能、管理風(fēng)格、面試和評價中心技術(shù)的預(yù)測效度的清晰數(shù)據(jù)。下面具體介紹效度概化在人事測評方面的成果：
2.1 在管理測驗方面 管理測驗主要測試管理者的知識、技能和能力等，具體形式包括評價中心技術(shù)、管理能力和傾向測驗等。Gaugler等的元分析研究發(fā)現(xiàn)評價中心技術(shù)的整體預(yù)測效度為0.45 。Arthur等對34篇文章進行元分析，確認(rèn)了評價中心技術(shù)（AC）的三個重要維度和它們的預(yù)測效度，即，問題解決能力（0.39）、影響他人（0.38）和組織計劃（0.37）。Arthur認(rèn)為評價中心技術(shù)對工作績效的預(yù)測力來自于認(rèn)知能力和人際關(guān)系處理能力。情境判斷測驗（SJTs ）是一種基于分析困難情境問題對策的測驗形式，可以測量人的決策能力和管理能力。Clevenger 等的運用元分析方法研究了102個項效度資料（10640個被試），結(jié)論是，情境判斷測驗對工作績效的預(yù)測效度為0.34。用于測量管理者行為傾向的測驗包括領(lǐng)導(dǎo)行為描述問卷（the leadership Behavior Description Questionnaire ）等。多年來這些測驗的預(yù)測效度資料比較混亂。Judge等運用元分析方法研究了163項有關(guān)“關(guān)注關(guān)系”的相關(guān)數(shù)據(jù)和159項有關(guān)“強化結(jié)構(gòu)”的相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)注關(guān)系測驗對領(lǐng)導(dǎo)力的預(yù)測效度為0.48，強化結(jié)構(gòu)測驗對領(lǐng)導(dǎo)力的預(yù)測效度僅為0.29，而且，關(guān)注關(guān)系的領(lǐng)導(dǎo)與屬下滿足感、動機和領(lǐng)導(dǎo)影響力相關(guān)，而強化結(jié)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)與領(lǐng)導(dǎo)工作績效、團體績效相關(guān)。
2.2 在領(lǐng)導(dǎo)類型方面 變革式領(lǐng)導(dǎo)（transformational leadership ）和交易式領(lǐng)導(dǎo)（transactional leadership）是近20年來興起的關(guān)于領(lǐng)導(dǎo)類型的研究課題。變革式領(lǐng)導(dǎo)是通過預(yù)期未來和設(shè)想愿景，來激發(fā)追隨者。交易式領(lǐng)導(dǎo)主要通過在獎酬上的交換來影響追隨者。交易式領(lǐng)導(dǎo)的行為模式包括三類，即例外-積極模式、例外-消極模式和相機獎懲模式。例外-積極模式的領(lǐng)導(dǎo)傾向于在屬下遇到困難之前積極指導(dǎo)，例外-消極模式的領(lǐng)導(dǎo)傾向于在屬下遇到困難之后才采取行動。Judge 等的元分析發(fā)現(xiàn)，變革式領(lǐng)導(dǎo)和相機獎懲交易式領(lǐng)導(dǎo)都是有效的領(lǐng)導(dǎo)方式，它們對屬下績效的綜合預(yù)測效度為0.44和0.39。而例外-消極模式管理者和自由放任式管理者對屬下績效的綜合預(yù)測效度呈負(fù)相關(guān)，分別是為-0.18和-0.37。IIies等的元分析發(fā)現(xiàn)，交易式領(lǐng)導(dǎo)對屬下的組織公民行為的綜合預(yù)測效度為0.38，也驗證了相機獎懲是有效的領(lǐng)導(dǎo)方式的結(jié)論。
2.3 在結(jié)構(gòu)化面試方面 面試是人才選拔和配置的重要方式。面試一般分為非結(jié)構(gòu)化面試和結(jié)構(gòu)化面試兩種。結(jié)構(gòu)化面試是指對同一職位的應(yīng)試者按同一順序問同樣的問題，多位評委按同一標(biāo)準(zhǔn)評分的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的面試。關(guān)于結(jié)構(gòu)化面試的預(yù)測效度元分析結(jié)果大體一致，Wiersner等、McDaniel等、Marchese等、Schmidt等 、Huffcutt 等、Campion 等七項元分析研究的結(jié)構(gòu)化面試的效應(yīng)值的均值為0.42，而且七項研究之間標(biāo)準(zhǔn)差很小。結(jié)構(gòu)效度分析顯示，結(jié)構(gòu)化面試比認(rèn)知能力測驗所測量的內(nèi)容更廣泛，結(jié)構(gòu)化面試所測量的內(nèi)容包括認(rèn)知能力、崗位知識、經(jīng)營管理理念、工作技能、行為風(fēng)格、個性成熟度、組織適應(yīng)性等因素。所以結(jié)構(gòu)化面試的增值效度很明顯。如，Schmidt 等測得一般認(rèn)知能力測驗（0.51）和結(jié)構(gòu)化面試（0.51）并用時的預(yù)測效度能達(dá)到0.63，其增值效度為0.12。關(guān)于結(jié)構(gòu)化面試的整體效度研究已無懸念，研究者還對不同類別的結(jié)構(gòu)化面試的預(yù)測效度進行了元分析研究。
2.4 在人才背景資料方面 在人才選拔過程還會參考到人才的一些背景資料，如受教育年限、年齡等。關(guān)于這些信息的預(yù)測效度也有人實施了元分析研究。過去的成功常常伴隨著自身能力、美譽度、業(yè)績資料和個性成熟度的變化，這些因素有助于預(yù)測個人的未來成就。普遍的結(jié)論是同事評價、背景調(diào)查和傳記資料對個體的工作績效有高的預(yù)測力，而筆跡、年齡等因素對工作績效沒有預(yù)測力。由此看來，“不唯學(xué)歷、不唯資歷和不唯年齡，重視能力和業(yè)績”的人才觀是正確的。
關(guān)于人事測評效度概化研究在未來的發(fā)展，我們認(rèn)為有三種趨勢是值得關(guān)注的。一是細(xì)化或深化人事測評預(yù)測因子的效度概化研究會更流行。例如，針對不同類別或不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)化面試和評價中心技術(shù)的元分析研究可能是新方向，關(guān)于人才選拔諸多方法及其相互關(guān)系的效度概化研究依然是研究重點。二是針對新的人事測評預(yù)測因子的探索式元分析研究會有新發(fā)展。例如，勝任特征、情緒智力、周邊績效和變革型領(lǐng)導(dǎo)等新概念可能成為元分析研究的新陣地。三是關(guān)于人事測評的效標(biāo)和預(yù)測因子間關(guān)系的理論研究可能要取得新進展。例如，環(huán)境和個體特征交互作用，認(rèn)知和情緒智力對與不同績效的分離性預(yù)測等領(lǐng)域可能有突破性進展。
最后，在應(yīng)用人事測評效度概化研究結(jié)果時，要明確該結(jié)果的可概化范圍。從時效性上講，效度概化的結(jié)論也不是一勞永逸的，也存在時效性。在工業(yè)心理學(xué)中，工作環(huán)境、工作內(nèi)容在不斷變化，工作對員工能力和性格的要求也在隨之變化。效度概化研究的結(jié)論需要不斷地進行升級，從而反映出當(dāng)時的真實效度水平。另外，針對特定復(fù)雜度的工作而得到的效度概化結(jié)論，也不能想當(dāng)然地被推論到具有更高或更低復(fù)雜度的工作當(dāng)中去。研究者在使用效度概化結(jié)論時，一定要保證當(dāng)時的情景和效度概化研究所基于的原始研究的總體情況相一致。
參考文獻
[1]王擁軍，俞國良.效度概化.預(yù)測效度元分析30年的成果述評.心理科
學(xué)進展.2008.16(6).964-97.
[2]Schmidt F L.Hunter J E.Development of a general solution to the problem of validity generalization. Journal of Applied Psychology.1977.62.529~540.
關(guān)鍵詞：混凝土砌塊砌體；剪切；承載力；有限元分析
中圖分類號：TU391文獻標(biāo)識碼：A
隨著現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層及有抗震要求的地區(qū)，對砌體結(jié)構(gòu)基本理論的研究顯得愈加重要、更加有意義.有限元已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)分析的重要工具與途徑.相對于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)形式，砌體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有待于進一步提高.本文在總結(jié)和探討ANSYS在混凝土砌塊砌體中運用方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有試驗結(jié)果，探索采用ANSYS軟件模擬的受剪性能.
1砌塊砌體有限元分析方法
有限元是砌體結(jié)構(gòu)研究的重要工具，近年來砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析得到了越來越多的重視.ANSYS軟件強大的功能已經(jīng)在結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用，不少研究者運用ANSYS對砌體結(jié)構(gòu)進行分析得到了許多有益的結(jié)論.王達(dá)詮、唐岱新、全成華、孫偉明、李英明、徐銓彪、PAGE A W等都對砌體有限元分析方法進行了研究＼[1-6＼].王達(dá)詮等將以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的均質(zhì)化理論運用于砌塊砌體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析中形成可以等效砌體組成材料的砌體代表性體積單元＼[1＼]；唐岱新、全成華等采用ANSYS軟件對 7片縱橫配筋大剪跨比的砌塊砌體剪力墻進行數(shù)值模擬，得出承載力計算值與試驗值相吻合的結(jié)論（差值在10%以內(nèi)）＼[2＼]；孫偉明等采用整體式模型對預(yù)應(yīng)力混凝土砌塊砌體抗裂性能進行了有限元分析]；李英明等對ANSYS在砌體結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用進行了研究，主要對ANSYS砌體非線性分析的迭代方法的選用等一些參數(shù)設(shè)置進行了比較＼[4＼].
現(xiàn)有的對于砌體進行有限元分析的研究還只是基于某一方面而不具有普遍性一方面這是由于砌體的有限元分析研究時間較短，很多有限元軟件的開發(fā)并未針對砌體；另一方面也是由于砌體結(jié)構(gòu)的特殊性，如材料離散性大等增大了分析的難度.在用ANSYS對混凝土砌塊砌體進行非線性分析中，對于剪力傳遞系數(shù)取值、打開與關(guān)閉壓碎、迭代算法等參數(shù)的選取尚有待研究.本文結(jié)合實例對這些問題進行探討.
浙江大學(xué)進行了足尺墻體的試驗，其試驗墻體尺寸長高寬分別為3 800 mm×2 800 mm×190 mm.在墻體底部采用了截面為400 mm×400 mm的底梁與試驗墻體連接.采用的砌塊主塊尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，副塊尺寸為190 mm×190 mm×190 mm，砌塊采用MU10，砌筑砂漿采用M10混合砂漿.本文選用兩片具有代表性墻體進行數(shù)值模擬.本文選用試驗墻體編號、類型如表1所示＼[5-7＼].
構(gòu)造柱尺寸為190 mm×190 mm，構(gòu)造柱縱向鋼筋為412，箍筋為8@250，圈梁縱向鋼筋為414，箍筋為8@250.構(gòu)造柱和圈梁混凝土的設(shè)計強度等級為C20.在進行有限元分析時，采用整體式模型，將砌體墻視為勻質(zhì)彈塑性材料，單元尺寸為100 mm，采用力的收斂準(zhǔn)則，SOLID65單元的KEYOPT選項中
不考慮形函數(shù)的附加項，考慮拉應(yīng)力釋放、激活分析選項中的自適應(yīng)下降、線性搜索、自動載荷步（自動時間步長）和預(yù)測等功能來加強收斂.本文砌塊墻考慮3種材料：混凝土、鋼筋、砌塊墻.對構(gòu)造柱、圈梁、砌塊墻體都采用SOLID65單元.混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強化模型MISO，鋼筋采用雙線性等向強化模型BISO.對于砌體本構(gòu)關(guān)系，本文選用劉桂秋提出的本構(gòu)關(guān)系＼[8＼].
文獻＼[9＼]指出剪切破壞時，由于應(yīng)力分布的不均勻所導(dǎo)致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強度低于《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB5003-2001）材性試驗得到的抗剪強度計算指標(biāo)，并進一步根據(jù)我國過去進行的墻體抗剪試驗中的數(shù)據(jù)得到不施加法向荷載情況下實測足尺的墻體抗剪強度約為材性試驗取值的0.32～0.68.本文進一步得出在軸壓比為0時，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗取值的0.33～0.65.軸壓比為0.2時，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗取值的0.45～0.93（Wall24除外）.軸壓比為0.4時，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗取值的0.48～0.97.軸壓比為0.6時，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗取值的0.51～1.04.軸壓比為0.8時，墻體抗剪承載力約為規(guī)范材性試驗取值的0.19～0.68.所以在進行承載力計算時應(yīng)考慮應(yīng)力分布不均布的影響.
3結(jié)論
本文利用ANSYS軟件模擬混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)，結(jié)合試驗實例對剪力傳遞系數(shù)的取值、打開關(guān)閉壓碎、迭代算法等進行了對比，然后對30組不同參數(shù)的墻體模型進行了計算，將有限元計算結(jié)果和規(guī)范抗剪強度直接乘以截面面積得到的承載力公式所計算的結(jié)果進行比較，得到以下結(jié)論：
1） 墻體裂縫開展與試驗結(jié)果吻合較好，利用非線性有限元可以較好地模擬，能較好滿足理論分析及工程實際要求.
2） 有限元分析中的剪力傳遞系數(shù)在0.1～0.5內(nèi)取值時差別較小，具體取值應(yīng)進一步分析.
3） 有限元分析中打開壓碎項，所得結(jié)果較為準(zhǔn)確，關(guān)閉壓碎項結(jié)果偏差較大.
4） 有限元分析中的迭代算法選用弧長法較NR法墻體抗剪承載力計算結(jié)果稍低.
5） 由于應(yīng)力分布的不均勻所導(dǎo)致的截面不能被充分利用，使足尺墻體的抗剪強度低于砌體抗剪強度指標(biāo).在進行承載力計算時應(yīng)考慮截面應(yīng)力分布不均勻的影響.
參考文獻
[1]王達(dá)詮，武建華砌體RVE均質(zhì)過程的有限元分析＼[J＼].重慶建筑大學(xué)學(xué)報， 2002，24（4）：35-39.
WANG Daquan， WU Jianhua Finite element analysis of masonry RVE homogenization procedure＼[J＼]. Journal of Chongqing Jianzhu University，2002，24（4）：35-39. （In Chinese）
[2]全成華，唐岱新.配筋砌塊砌體剪力墻抗剪性非線性分析＼[J＼].低溫建筑技術(shù)，2002（4）：49-50.
QUAN Chenghua， TANG Daixin. Analysis on the nonlinear behavior of shear resistance of reinforced concrete masonry shear wall＼[J＼]. Low Temperature Architecture Technology，2002 （4）：49-50. （In Chinese）
[3]孫偉明，胡曉明，楊興富.預(yù)應(yīng)力混凝土砌塊砌體抗裂性能的有限元分析＼[J＼].四川建筑科學(xué)研究，2003，29（4）：88-91.
SUN Weiming， HU Xiaoming， YANG Xingfu. Finite element analysis to crackresistance behavior of prestressed concrete block masonry＼[J＼]. Building Science Research of Sichuan， 2003，29（4）：88-91. （In Chinese）
[4]李英民，韓軍，劉立平.ANSYS在砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元分析中的應(yīng)用研究＼[J＼].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2006，28（5）：90-105.
LI Yingming， HAN Jun，LIU Liping. Application of ANSYS in the nonlinear finite element analysis of masonry structure＼[J＼]. Journal of Chongqing Jianzhu University， 2006，28（5）：90-105. （In Chinese）
[5]徐銓彪，金偉良，余祖國，等.混凝土小型空心砌塊墻體非線性有限元分析＼[J＼].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2005，39（6）：863-881
XU Quanbiao， JIN Weiliang， YU Zuguo，et al. Nonlinear analysis of concrete small hollow block wall by finite element method＼[J＼]. Journal of Zhejiang University：Engineering Science， 2005，39（6）：863-881. （In Chinese）
[6]PAGE A W.Finite element model for masonry＼[J＼].J Struct Engrg，ASCE，1978，104（8）：1267-1285.
[7]金偉良，徐銓彪，潘金龍，等.不同構(gòu)造措施混凝土空心小型砌塊墻體的抗側(cè)力性能實驗研究＼[J＼]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2001， 22 （6） ：64 -72.
JIN Weiliang， XU Quanbiao，PAN Jinlong，et al. Experimental study on lateral resistance behavior of small concrete hollow blockwall with different constructional measures＼[J＼]. Journal of Building Structures ， 2001，22（6）：64-72. （In Chinese）
[8]劉桂秋.砌體結(jié)構(gòu)基本受力性能的研究＼[D＼]. 長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 2005：24-25.
LIU Guiqiu. Analysis on basic mechanical properties of masonry structure＼[D＼]. Changsha：College of Civil Engineering，Hunan University， 2005：24-25. （In Chinese）
【摘要】 目的：建立人下頜D區(qū)567三維有限元模型. 方法：采用薄層CT掃描技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Amira和Unigraphics NX造型軟件以及有限元分析軟件ALGOR相結(jié)合建立下頜567及其支持組織的三維有限元模型. 結(jié)果：建立了下頜D區(qū)567三維有限元模型，總節(jié)點為93 260個，六面單元數(shù)為167 111個. 結(jié)論：所建模型結(jié)構(gòu)完整，空間結(jié)構(gòu)測量準(zhǔn)確度高，單元劃分精細(xì)、能夠較精確地模擬實體狀態(tài)，為進一步的生物力學(xué)研究提供了基礎(chǔ).
【關(guān)鍵詞】 有限元分析法
0引言
有限元分析法(finite element analysis method，F(xiàn)EAM)是一種理論力學(xué)的分析計算方法，近年來，隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和各種功能齊全的軟件開發(fā)， 已被廣泛運用到口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用于各種復(fù)雜問題的力學(xué)研究.該方法的基礎(chǔ)是模型的建立，如何提高模型的相似性是研究的重點［1］ ，只有提高模型的相似性，才能保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性. 由于牙頜組織外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往建模難度大，花費高，建模時問長. 我們將薄層CT掃描技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Amira，Unigraphics NX以及有限元分析軟件ALGOR相結(jié)合建模，對如何提高有限元模型精確性、加快建模的速度、簡化建模過程進行探討.
1材料和方法
1.1材料GX26O商用臺式機(處理器Intel Pentium 43.0 G，內(nèi)存2 GB，硬盤250 GB，操作系統(tǒng)Windows 2000 Professiona1)；PQ6000螺旋CT掃描機(美國Picker公司)；應(yīng)用軟件Amira4.0（美國TGS公司）；UGNX4(美國EDS公司)；有限元分析軟件ALGORv19（美國ALGOR公司）；根據(jù)參考文獻［2］，選擇一牙列完整、咬合關(guān)系正常、無明顯牙周疾患及牙槽骨吸收成年男性志愿者，作為下頜牙列及下頜骨三維形態(tài)數(shù)據(jù)測量的樣本.
1.2方法
1.2.1CT掃描及原始數(shù)據(jù)的獲取測試者取仰臥位，頦部抬高，頭部固定，戴用預(yù)制咬合板，避免上下牙列接觸. 用螺旋CT掃描機進行掃描，層厚0.2 mm，選擇得到斷層影像100張，將掃描圖像在CT工作站轉(zhuǎn)換為bmp格式文件，記錄并存入計算機.
1.2.2CT圖像的三維重建將得到的bmp文件輸入醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Amira中，讀取二維圖像數(shù)據(jù)生成牙齒的三維點云圖（圖1），轉(zhuǎn)換為可以在UG中輸入的tiff格式，再將模型導(dǎo)入UG造型軟件實體網(wǎng)格構(gòu)建. 將多面體網(wǎng)格填充方式由點云形成粗略實體，以牙冠為特征形成XY軸，使用UG中的Imageware模塊對齊坐標(biāo)軸，進行點云擬合和形成髓腔. 平行切割點云形成相交線. 利用已得到的相交線，通過曲線命令形成牙體根部，用縫合命令封閉根尖端完成髓腔實體. 用布爾運算形成牙的實體，將模型保存為igs格式（圖2）.
圖1－圖2 略
1.2.3三維有限元模型的建立將建立的三維空間模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件中，利用ALGOR中分析模塊對模型進行自動網(wǎng)格劃分，采用8節(jié)點六面體單元自動、依次劃分各部分的單元，獲得三維有限元模型. 根據(jù)要求設(shè)定材料特性、邊界條件，假設(shè)模型中的各材料和組織為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料；其近遠(yuǎn)中徑及底部完全固定，受力時模型各界面均不產(chǎn)生相互滑動. 參考文獻［3-5］ ，所用主要材料參數(shù)如表1所示.
2結(jié)果
建立了下頜567實體模型， 將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ALGOR后， 采用8節(jié)點六面體單元自動、 依次劃分各部分的單元， 獲得三維有限元模型(圖3). 建成的模型總單元數(shù)167 111個， 節(jié)點數(shù)93 260個， 其中下頜5單元數(shù)為36 093個， 節(jié)點21 830個， 下頜6單元數(shù)為73 984個， 節(jié)點40 694個， 下頜7單元數(shù)為57 034個， 節(jié)點30 736個. 所構(gòu)建的有限元模型能夠以單獨或組合的方式觀察各組成部分的情況， 還可以按照不同的研究目的和要求進行刪除、 旋轉(zhuǎn)、 切割和添加， 方便個別修改和調(diào)用.
表1有關(guān)材料的力學(xué)參數(shù) 略
3討論
3.1三維有限元模型建立的基礎(chǔ)FEAM分析研究的基礎(chǔ)是建立有限元模型，理想模型的建立是準(zhǔn)確計算和分析的前提. 而二維截面的生成是模型與實體相似度高低的關(guān)鍵，CT掃描技術(shù)具有定位準(zhǔn)確，準(zhǔn)確再現(xiàn)復(fù)雜細(xì)微結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)精確及可重復(fù)使用等優(yōu)勢. 故我們選擇此方法較好地再現(xiàn)了牙頜組織結(jié)構(gòu). 建模過程中，由于牙齒的表面形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)微復(fù)雜，在建模過程中反映其真實形態(tài)難度很大，尤其是磨牙的建模更為復(fù)雜，以往建模過程中部分方法不能獲得精細(xì)的解剖外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu). 面對模型的“簡化”意味著幾何信息不準(zhǔn)確，會對應(yīng)力分析結(jié)果造成影響［6］. 我們選用Amira建模軟件將二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為牙齒的點云分布圖，排除了人為因素的影響，再利用專業(yè)造型軟件UG生成實體模型，從而使模型具有可調(diào)性，精確到點，不存在簡化，點控制曲線，由曲線控制曲面，再由曲面生成三維實體模型. 這樣所建模型完全符合實際形態(tài)并可進行快速分析.
3.2逆向工程建模優(yōu)勢牙齒的幾何形狀較為復(fù)雜，屬于多材質(zhì)復(fù)合組織，通過常用的有限元軟件實體建模工具很難構(gòu)建幾何相似性良好的牙齒有限元模型，需要利用逆向建模(reverse modeling)技術(shù)［7］， 即將已有的牙體模型通過測量掃描及各種先進數(shù)據(jù)處理手段獲得實體信息，進行數(shù)據(jù)處理手段獲得實物信息，然后利用CAD(computer aid design)技術(shù)對牙體實物進行各曲面、尖、窩、嵴的實性造型，從而得到原件的CAD模型. Imageware作為UGNX中提供的逆向工程造型軟件，具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能. 可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù). 建模過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)即利用Imageware進行點云的正交化，以此來避免因未正交化導(dǎo)致的不符合牙齒正常形態(tài)，導(dǎo)致信息的喪失. 正交化后的模型經(jīng)逆向工程檢測生成的牙齒與點云間最大均方根值
3.3有限元網(wǎng)格的劃分用于三維幾何模型進行有限元單元劃分的網(wǎng)格類型主要包括：六面體單元、四面體單元、三棱柱單元等. 六面體網(wǎng)格具有較高的精度，但劃分難度高，較難實現(xiàn)自動網(wǎng)格劃分，而我們所用有限元分析軟件ALGOR，采用8節(jié)點六面體依次劃分，可自動生成美觀、精度高的有限元網(wǎng)格，并可模擬各種結(jié)構(gòu)形式及各種復(fù)雜材料. 網(wǎng)格劃分時進行網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置并分網(wǎng)，若網(wǎng)格可以接受則進入分析環(huán)境，若網(wǎng)格不能接受則修改控制參數(shù)或者進行網(wǎng)格細(xì)化. 在劃分單元時，單元的大小(網(wǎng)格的疏密)要根據(jù)精度的要求和計算機的速度及容量來確定，對部分細(xì)微結(jié)構(gòu)及應(yīng)力和位移變化較劇烈的部位采取網(wǎng)格加密，避免信息損失.
綜上所述，我們將采用CT掃描技術(shù)與CAD軟件和有限元分析軟件共同建模，所建立的牙齒幾何相似性好，有效的提高了建模精度和建模速度，單元劃分精細(xì)，模型可任意旋轉(zhuǎn)觀察、切割及調(diào)整并可重復(fù)使用. 從而為進一步的優(yōu)化修復(fù)設(shè)計提供了可靠依據(jù).
參考文獻
［1］ Baumrind S， Kom EL， Boyd RL. Apical root resorption in orthodontically treated adults［J］. Am J Orthod Dentofacial Orthop，1996，110(4): 311-320.
［2］ 王惠蕓. 我國人牙的測量和統(tǒng)計［J］. 中華口腔醫(yī)學(xué)雜志，1959，7(3): 147-153.
［3］ Chang KH，Magdum S，Khera SC. An advanced approach for computer modeling and prolotyping of the human tooth［J］. Ann Biomed Eng，2003， 31(5)：621-631.
［4］ Toparli M. Stress analysis in a postrestored tooth utilizing the finiteelement method［J］. J Oral Rehabil，2003，30(5)：470-476.
［5］ Farah JW，Powers JW，Dennison JB，et al. Effects of cement bases on the stress and deflections in composite restorations［J］. Dent Res，1976，55(1)：15-20.
［6］ 田力麗，李凌曼. 逆向工程技術(shù)法構(gòu)建牙體缺損修復(fù)的三維有限元模型［J］. 實用口腔醫(yī)學(xué)雜志， 2006，22（4）：502-505.
論文關(guān)鍵詞：光碟機,熱量,ANSYS,分析
隨著機電產(chǎn)品使用時間的增加，通電時間越長必然導(dǎo)致集成芯片發(fā)熱量增大，其散熱問題是一個必須要考慮的問題。如果熱量不能以合適的方式及時的散出去，必將影響機電產(chǎn)品的功能。光碟機就是一個比較典型的機電產(chǎn)品，其散熱問題的考慮是一個很經(jīng)典的設(shè)計。ANSYS是目前應(yīng)用比較廣泛的有限元分析軟件，具有強大的有限元分析功能和人性化的人機交互界面，使用該軟件，能夠有效地降低分析成本，縮短設(shè)計時間[1]。本文通過對這一問題的分析研究，對光碟機的熱分析問題進行了深入的分析，采取了合情合理的散熱方式，采用有限元分析軟件ANSYS9.0對散熱墊的散熱狀況進行散熱模擬，并對分析結(jié)果進行對比。
1 散熱理論
熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程[2]：
1．1輻射
輻射是指機體以發(fā)射紅外線方式來散熱，物體發(fā)射能量并被其他物體吸收轉(zhuǎn)化為熱量能量交換[2]。當(dāng)皮膚溫高于環(huán)境溫度時，機體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環(huán)境溫度和機體有效輻射面積等因素有關(guān)。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當(dāng)然，如果環(huán)境溫度高于皮膚溫，機體就會吸收輻射熱。
1．2傳導(dǎo)
傳導(dǎo)就是機體通過傳遞分子動能的方式散發(fā)熱量，幾個完全接觸的物體之間或同一物體不同部分之間由于溫度梯度而引起的熱量交換[2]。當(dāng)人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個原理，CPU上的平板式散熱片[3]也是利用了傳導(dǎo)的原理。
1．3對流
對流就是空氣的流動，這是以空氣分子為介質(zhì)的一種散熱方式，物體表面與周圍環(huán)境之間，由于溫度差而引起的熱量交換[2]。與身體最接近的一層空氣被體溫加熱而上升，周圍較冷的空氣隨之流入。這樣，空氣不斷地對流體熱就不斷地向空氣中散發(fā)。對流散熱量的大小，取決于皮膚溫與環(huán)境溫度之差和風(fēng)速。
1．4蒸發(fā)
液體汽化需要熱量，自人體表面每蒸發(fā)1ml水，可帶走2.32/kJ熱量。當(dāng)氣溫高于皮溫時，其他幾種散熱方式都失去作用，蒸發(fā)便成為唯一的散熱途徑。
2 光碟機介紹
2.1 光碟機組成
光碟機組成按結(jié)構(gòu)功能來劃分主要有三大部分，一是機芯，二是PCBA，三是承載機構(gòu)和外殼等，如圖1所示:
圖1 碟機結(jié)構(gòu)
Fig1. ODD structure
2.2光碟機熱量散發(fā)系統(tǒng)
散熱系統(tǒng)主要有：下蓋（BC），散熱墊（Heat sink），集成芯片（IC）和PCB四部分相接觸的物體組成，如圖2所示：
圖2 散熱系統(tǒng)
Fig2. Heat dissipating system
3 熱傳導(dǎo)散熱分析
ANSYS的熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，通過有限元法計算各節(jié)點的溫度分布，并由次導(dǎo)出其他熱物理量參數(shù)[2]。電子元器件功率的不斷提升導(dǎo)致了更多熱量的產(chǎn)生[3]，因而散熱顯的極為重要[4]。本例中采用穩(wěn)態(tài)分析，參數(shù)設(shè)定：自然對流條件(10W/m2.K)，熱源設(shè)定6W(12V*0.5A)，光碟機內(nèi)部環(huán)境溫度設(shè)定為42℃，光碟機器外部環(huán)境溫度設(shè)定為30℃。各零件的熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1：
表 1
零件縮寫
熱傳導(dǎo)系數(shù)k(W/m.K)
BC
18.5
Heat sink
3.2
IC
50
PCB
0.36
4 分析結(jié)果
經(jīng)過上述設(shè)置后，可得到散熱墊的溫度場分布圖，如圖3所示：從圖中可看出，使用該散熱墊后最高溫度可達(dá)165.92℃。
圖3 溫度場分布
Fig3.Temperature field distribute
5 結(jié)束語
ANSYS不僅能用于常規(guī)工程結(jié)構(gòu)問題的靜態(tài)或動態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學(xué)，熱力學(xué)（溫度場）、電磁場等方面進行有限元的模擬與計算[5]。一個成熟的熱設(shè)計可以為為我們帶來一個可靠的產(chǎn)品,同時也為我們的使用創(chuàng)造舒適性[6]。本例中通過對散熱墊模擬現(xiàn)場情況的分析，得出散熱墊的溫度場分布，進而可比較不同散熱墊帶來的不同散熱效果,選擇合適的散熱墊來散熱，為碟機的散熱設(shè)計提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。同時也值得其它需要散熱的產(chǎn)品設(shè)計者借鑒學(xué)習(xí)。
參考文獻：
[1]郝兆明．基于ANSYS組合模具過盈配合有限元分析[J]. 機械工程師,2008(5)
[2]王建江，胡仁喜，劉英林．結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)有限元分析[M]．機械工業(yè)出版社,2008(3)
[3]張遠(yuǎn)波.CPU散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].華中科技大學(xué)學(xué)報.2008年第4期
[4] 盧中林．電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計［J］．可靠性分析與研究(集成電路與元器件卷)，2004，（12）
[5]Saeed Moaveni．ANSYS理論與應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社,2003(6)
關(guān)鍵詞：門式啟閉機；門架結(jié)構(gòu)；有限元分析；靜力學(xué)；模態(tài)分析。
引言
啟閉機是專門應(yīng)用于水利水電工程的一種特殊起重機，用于啟閉和檢修閘門等。啟閉機的設(shè)計必須滿足技術(shù)先進、運行可靠、經(jīng)濟合理等要求。有限元分析方法是廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析計算的方法。本文以某雙向門式啟閉機的門架金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，通過大型通用有限元分析軟件ANSYS進行分析，得到門架金屬結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力結(jié)果，并且分析研究了結(jié)構(gòu)的振動特性。
1結(jié)構(gòu)及參數(shù)
門機主要由起重小車、門架和運行機構(gòu)組成，裝有起升機構(gòu)的起重小車可沿門架頂部的軌道運行，起吊的閘門可沿小車軌道方向和豎直方向運行。門架可沿大車軌道方向運動，其方向垂直于小車軌道。門架主要由主梁、上橫梁、中橫梁、下橫梁和門腿構(gòu)成，所有梁均由板與板焊接而成，形成箱形梁結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間剛度大、抗扭性能好等特點。QM2x1000kN門式啟閉機門機設(shè)計總高約24.57m，其中門架高13.8m。門機跨度為17m，大車基距為9m。小車自重800kN，小車起升荷載2x1000kN。為考察不同工況條件下啟閉機的受力和變形情況，采用三維有限元對整個結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)分析。
2模型的簡化
啟閉機門架結(jié)構(gòu)的各個梁及門腿都是由板件拼接而成，板與板之間是組合焊接而成，在建立其有限元模型時，板與板、梁與梁之間的連接簡化為剛性連接。門架上的小車軌道、司機室、梯子欄桿等對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能計算影響不大，故建模時只將其重量均布在門架上，而省略其模型。
3模型的建立
根據(jù)門架的結(jié)構(gòu)尺寸，在ANSYS中笛卡爾坐標(biāo)系下建立其模型。以門架主梁外側(cè)腹板中心線最上方的點為原點，沿XOY平面建立主框架平面，沿YOZ平面建立側(cè)框架平面。建模時使用shell63單元，共有22589個節(jié)點，23337個單元。構(gòu)件的材料均采用Q345，其密度為7850kg/m，泊松比為0.3，彈性模量為2x10MPa，許用應(yīng)力為220MPa。建好的門架有限元模型如下圖所示。
4 靜力學(xué)分析
4.1 工況及載荷
該門式啟閉機小車軌道鋪設(shè)在門腿之間的主梁上方，跨中位置一般為最危險截面，故取以下 5 種工況進行靜力學(xué)分析。每種工況的載荷有所不同，載荷情況見表 1。
4.2 約束情況
在總體坐標(biāo)系下，X 軸方向為小車軌道方向，Y軸方向為重力方向，Z 軸方向為大車軌道方向。啟閉機下橫梁與大車車輪連接座板的支鉸處受到鉛垂方向（Z向）的位移約束，沿水流方向上游側(cè)右側(cè)門腿限制UX、UY、UZ自由度，釋放MX、MY、MZ自由度；上游側(cè)左側(cè)門腿限制UY、UZ自由度，釋放UX、MX、MY、MZ自由度；水流方向下游側(cè)右側(cè)門腿限制UY、UZ自由度，釋放UX、MX、MY、MZ自由度，下游側(cè)左側(cè)門腿限制UZ自由度，釋放UX、UY、MX、MY、MZ自由度。除此以外，所有的節(jié)點均為自由節(jié)點。
4.3 結(jié)果分析
計算結(jié)果表明：在各種工況條件下，啟閉機各主要構(gòu)件（主要包括主梁，門腿等）的大部分板件的折算應(yīng)力計算值在211MPa以下，小于鋼材的設(shè)計許用值，滿足強度要求。折算應(yīng)力在個別工況中局部出現(xiàn)大于220Mpa應(yīng)力集中，不予考慮。在各種工況條件下，主梁主要發(fā)生彎曲變形，主梁跨外最大豎向（Z向）撓度最大值為17.65mm，小于許用撓度21.25 mm滿足剛度要求。大小車制動工況下，水平方向最大變形為8.3mm，小于許用28.5mm。
5 動力學(xué)分析
啟閉機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的外部原因是受到了外部激勵的作用，例如啟、制動時系統(tǒng)突然受到了原動機的驅(qū)動力和制動器的制動力的激勵，就會產(chǎn)生一定的振動，故有必要通過模態(tài)分析研究其振動特性。模態(tài)分析主要研究沒有阻尼的自由振動，自由振動意味著沒有給結(jié)構(gòu)或部件施加外部載荷，因此，在ANSYS軟件中對該門機模型進行模態(tài)分析時，無需施加任何外載荷。在進行模態(tài)分析時只對該模型進行了零位移約束，由前面靜力學(xué)分析可知，工況1為最危險工況，因此，取小車滿載位于跨中時的工況進行研究，約束狀況與靜力學(xué)分析時工況1的約束狀況相同。在實際工程中，低階模態(tài)的影響最為主要，考慮提高計算效率和節(jié)省計算空間，在此不必求出全部的固有頻率和振型，只需計算出門架前10階模態(tài)進行相關(guān)分析，前 10 階自振頻率見表2。
橋式或龍門起重機沿小車振動方向的振動頻率應(yīng)控制在1Hz以上，由表2可看出，所有自振頻率均滿足動態(tài)剛性要求。根據(jù)得到的門架模態(tài)振型可以看出，門架在底部4個輪子都受約束的情況下，第1階振型表示門架向小車軌道方向振動，可由小車的啟、制動引起；第2階振型表示門架向大車軌道方向振動，可由大車的啟、制動引起；第3階振型表示門架圍繞重力方向的水平扭轉(zhuǎn)，可由大小車同時啟、制動或大車車輪與軌道之間的碰撞等因素引起；第4階～第10階振型都是描述各個梁沿各個方向的平動和轉(zhuǎn)動。
6 結(jié)論
（1）在ANSYS中建立結(jié)構(gòu)有限元模型，通過分析計算得到結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，根據(jù)啟閉機設(shè)計規(guī)范校核了門機的剛度和強度，均滿足要求。
（2）通過對門機進行動力學(xué)分析得到的結(jié)果可知：第1階～第6階自振頻率較小，都在10Hz以下，從第7階開始自振頻率變大，為10 Hz左右。由于門架結(jié)構(gòu)對稱，故有些階數(shù)的自振頻率非常接近。通過得到的振型圖可以大致了解到門機振動過程中的變形方式及原因，為工程實際運用提供了參考。
（3）在ANSYS軟件中采用有限元法研究門式啟閉機的靜力學(xué)和動力學(xué)特性是一種高效的分析方法。
參考文獻
[1]DL/T5167―2002，水電水利工程啟閉機設(shè)計規(guī)范[S].中國電力出版社，2003.
[2]催華偉.龍門起重機門架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.
[3]胡宗武，閻以誦.起重機動力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.
[4]GB/T3811―2008.起重機設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.
胸腰段后凸畸形的病因主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、強直性脊柱炎、Scheuermanns病、老年性脊柱后凸、脊柱結(jié)核椎體破壞、椎體腫瘤、軟骨發(fā)育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部腫瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常時，身體重力線應(yīng)通過各節(jié)段生理彎曲的交界處。胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段后凸畸形所造成的成角的或短弧形后凸畸形使損傷平面以上軀體的重心更趨前移，必將進一步加重后凸畸形〔4〕。隨著我國進入老齡化社會，胸腰段后凸畸形的患者不斷增多，胸腰段后凸畸形常出現(xiàn)局部不穩(wěn)定，脊柱支撐功能喪失，從而引發(fā)腰痛，且多并發(fā)上腰椎的失穩(wěn)及加速腰椎間盤退變，從而給患者造成極大的痛苦，有些患者通過保守治療無效，常需要手術(shù)治療，給患者家庭和社會造成了巨大的負(fù)擔(dān)。下面筆者就目前國內(nèi)外胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節(jié)段矢狀面穩(wěn)定性的研究情況進行綜述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力學(xué)特點
胸腰椎移行部與腰椎及腰骶椎相比其形態(tài)和生物力學(xué)特性大不相同。該部位是后凸的胸椎與前凸的腰椎的移行區(qū)，生理弧度變直，這一區(qū)域恰好位于活動度較小、穩(wěn)定性較強的胸椎與活動度較大、穩(wěn)定性相對較差的腰椎之間；T11、12肋骨為浮肋，抵止在相應(yīng)的椎體上而不是椎體間，不參與垂直載荷；從T10～12L1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面的傾斜則發(fā)生很大變化，即左右旋轉(zhuǎn)和左右側(cè)屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM較胸椎明顯增大；正常情況下，該部脊柱前方的垂直載荷分擔(dān)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后方。在T11及T12胸椎，上關(guān)節(jié)突表現(xiàn)為胸椎上關(guān)節(jié)突的形態(tài)特征，而下關(guān)節(jié)突的形態(tài)特征卻與腰椎相近，其前、后方無胸肋關(guān)節(jié)和肋橫突關(guān)節(jié)的加強，且僅與一個椎體相關(guān)節(jié)，這些均構(gòu)成了胸腰椎容易損傷的解剖學(xué)基礎(chǔ)〔5〕。因此，脊柱的壓縮性或爆裂性骨折常發(fā)生在胸腰段，從而造成胸腰段后凸畸形。從胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐漸增大，腰骶椎髂腰韌帶的存在使該部位的運動和穩(wěn)定性與L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通過人尸體腰椎節(jié)段的破壞模型證實，棘上韌帶、棘間韌帶損傷甚至雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半部分切除難以造成腰椎失穩(wěn)，而單側(cè)或雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完全切除則可導(dǎo)致椎間旋轉(zhuǎn)和屈曲的失穩(wěn)。椎間孔部的減壓易導(dǎo)致關(guān)節(jié)突間（峽部）的分離。單側(cè)時由于有椎弓的存在，兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)還可發(fā)揮其功能。
2 目前利用動物脊柱標(biāo)本進行的生物力學(xué)研究
王新偉等〔8〕利用出生1周以內(nèi)的小牛胸腰椎新鮮標(biāo)本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相關(guān)解剖，并與人體相關(guān)數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)：與人體相比，小牛脊柱椎體及椎間盤更接近圓柱狀，椎間盤高度占脊柱高度的比例更大。又進行了生物力學(xué)實驗，測試屈曲、伸展及側(cè)屈狀態(tài)下的載荷-應(yīng)變、載荷-位移關(guān)系、最大載荷時的應(yīng)力強度及屈曲、伸展、側(cè)屈及扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的軸向剛度，最后進行極限力學(xué)性能測試。發(fā)現(xiàn)出生1周內(nèi)的小牛胸腰椎標(biāo)本在人生理載荷范圍內(nèi)，呈線形變化，與人體一致。
王向陽等〔9〕收集12具新鮮豬T10～L4節(jié)段胸腰椎脊柱標(biāo)本，制造不同程度前中柱骨折模型，分為2組，分別安放椎弓根螺釘內(nèi)固定器和內(nèi)固定加前路植骨重建，每種狀態(tài)依次在CMT4104多功能力學(xué)試驗機上進行軸向壓縮和前屈壓縮測試，分別計算每組的完整標(biāo)本、骨折內(nèi)固定標(biāo)本和植骨內(nèi)固定標(biāo)本的軸向壓縮剛度和前屈壓縮剛度。發(fā)現(xiàn)：胸腰椎前中柱骨折后經(jīng)椎弓根螺釘系統(tǒng)固定不能使其恢復(fù)至原來的力學(xué)性能，椎體骨折累及范圍越大，固定后力學(xué)性能越差；前中柱重建是減少后路內(nèi)固定器械承載的關(guān)鍵。
周有禮等〔10〕利用羊的整條脊柱標(biāo)本，對胸腰椎爆裂骨折后的局部載荷進行了研究。發(fā)現(xiàn)：在胸腰椎結(jié)合區(qū)域有較大的應(yīng)變值表示該區(qū)域局部所承受的力量較大，在實驗上脊柱承受牽引時，在胸腰椎接合之區(qū)域會承受較大的拉力。
3 利用在體動物模型進行的研究
Oda等〔11〕利用在體羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱損傷和后凸畸形對相鄰運動節(jié)段的影響，他們將活體羊分為對照組、L3～5原位融合組及L3～5Cobbs角為30°的后凸畸形融合組，進行了影像學(xué)、生物力學(xué)及組織學(xué)的研究分析，結(jié)果證實：脊柱后凸畸形導(dǎo)致頭側(cè)鄰近節(jié)段的后方韌帶復(fù)合結(jié)構(gòu)的前凸性攣縮；L2椎板在屈伸活動下所承受的應(yīng)力在后凸畸形組更為明顯，提示更多的載荷轉(zhuǎn)移向后柱；后凸畸形組鄰近的頭側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)有明顯的退變性骨關(guān)節(jié)病改變，鄰近的尾側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)亦有輕微的退變性骨關(guān)節(jié)病改變，而在原位融合組退變輕微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年豬制作了Scheuermanns病的脊柱后凸畸形模型，利用病理學(xué)、放射影像學(xué)、血液生化等方法進行研究，發(fā)現(xiàn)豬的Scheuermanns病胸腰段后凸畸形模型，與人Scheuermanns病導(dǎo)致的胸腰段脊柱后凸畸形有可比性。
Lowe TG〔13〕等利用未成年羊的Scheuermanns病模型，進行了一項在體實驗，他將羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根釘和聚乙烯繩在后面進行拴系，不融合，進行了13個月的觀察后，處死羊，取其脊柱進行生物力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)模型矢狀面上的非融合調(diào)整，能有效地減少椎體楔形變的程度，此方法可能成為治療青少年Scheuermanns病的一種可行辦法。
4 利用人的尸體新鮮脊柱標(biāo)本進行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鮮尸體軀干標(biāo)本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，對前路松解前、后的矢狀面矯形效果進行了解剖學(xué)及生物力學(xué)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單純前路松解（開放或經(jīng)胸腔鏡輔助）矯形效果良好，且能有效地改善矢狀面平衡。
趙必增等〔15〕利用新鮮尸體胸腰椎標(biāo)本，探討了椎體成形強化后對鄰近椎間盤、椎體的力學(xué)影響，發(fā)現(xiàn)強化椎體后，對鄰近椎體造成的應(yīng)力集中很小，而對鄰近椎間盤有一定的影響。
5 利用三維有限元分析進行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一個求偏微分方程式的數(shù)值方法。隨著個人計算機功能的完善，有限元素法的使用也越來越簡單，在醫(yī)用生物力學(xué)方面應(yīng)用更是越來越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕對19例人的尸體胸腰段椎體標(biāo)本進行CT掃描，建立三維有限元模型，進行有限元分析；同時對標(biāo)本實體進行解剖學(xué)測量以及生物力學(xué)試驗分析，最后將二者測得的數(shù)據(jù)進行對比研究，進行統(tǒng)計學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)：用恒定0.35層厚和457 MPa有效模量，結(jié)合CT重建的椎體幾何模型與骨小梁特性，進行椎體外殼的建模，能精確的預(yù)測整個椎體的生物力學(xué)特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形對相鄰椎間盤力學(xué)影響進行了三維有限元分析研究。他們選取結(jié)構(gòu)正常的脊柱作為實驗材料，通過CT掃描獲取脊柱的二維圖像，然后進行三維重建，轉(zhuǎn)化為有限元模型（FEM），利用Free Form成形軟件構(gòu)建胸椎后凸畸形模型，分別對正常結(jié)構(gòu)和胸椎后凸的脊柱有限元模型進行載荷試驗，分別比較椎間盤和小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布情況，總結(jié)出以下結(jié)論：脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應(yīng)椎間盤的載荷應(yīng)力應(yīng)變分布，這可能加快椎間盤退變及使后方纖維環(huán)易受損破壞。
6 利用影像學(xué)進行的臨床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer對椎體骨折導(dǎo)致胸腰段后凸畸形的Cobbs角進行測量，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的測量方法相比，其測量的結(jié)果更簡便、準(zhǔn)確、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具備胸腰椎和腰骶椎正側(cè)位X線片的胸腰段后凸畸形病例，與20例正常對照組進行相應(yīng)比較，進行分析研究。發(fā)現(xiàn)患病組平均腰椎前凸角度與正常對照組相比有極顯著性差異。患病組單節(jié)段腰椎前凸角度以上腰椎變化更為明顯。從而認(rèn)為：胸腰段的后凸畸形，使病損平面以上軀體的重心更趨前移，增加了致畸負(fù)荷，必將進一步加重后凸畸形。為維持直立下軀干重心的平衡，就需要調(diào)整頭、頸、胸和腰部的曲度甚至髖部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通過腰椎的前凸加大來實現(xiàn)這一目的。腰段所發(fā)生的代償性改變比腰骶段更為明顯，而腰段的代償性改變又更多地集中在上腰椎，而且椎體的后滑移也發(fā)生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形對上腰椎有更大的影響。
陳仲強等〔21〕測量14例后凸畸形截骨手術(shù)治療前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎體滑移情況，對所得結(jié)果與正常組進行對比分析。發(fā)現(xiàn)：胸腰段后凸畸形可導(dǎo)致腰椎過度前凸及椎體向后方滑移，尤其在上腰椎更為明顯，可能是引發(fā)腰背疼痛的重要原因之一：矯正胸腰段后凸畸形可減小腰椎的過度前凸和椎體滑移傾向，可明顯減輕患者的腰背疼痛；前后方聯(lián)合截骨更安全，矯正后凸畸形效果更好。
7 問題與展望
綜上所述，對于胸腰段后凸畸形，國內(nèi)外學(xué)者從解剖、動物標(biāo)本模型、在體模型、人尸體標(biāo)本模型、有限元分析模型及影像學(xué)臨床等不同角度出發(fā)，進行了生物力學(xué)及其他方面的研究。研究更多的是解剖、標(biāo)本模型、有限元分析及影像學(xué)方面。解剖學(xué)屬于形態(tài)學(xué)范疇，研究歷史較長；動物標(biāo)本易于取材，但與人的生物力學(xué)特性還是有差異的；相對實驗分析而言，有限元分析的優(yōu)點在于它對分析參數(shù)控制的絕對性和簡易性，及完整多樣的結(jié)果數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段有限元素分析，必須要配合恰當(dāng)?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)或臨床現(xiàn)象比對，結(jié)合有經(jīng)驗的臨床及力學(xué)人員，有限元素分析才能發(fā)揮它最大的功效。而由于受各方面條件的限制，在體動物生物力學(xué)模型與人新鮮尸體生物力學(xué)模型的研究，國內(nèi)外報道的很少，尤其是利用人新鮮尸體對胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節(jié)段矢狀面穩(wěn)定性進行生物力學(xué)的研究，目前國內(nèi)外尚是一個空白，這方面還有很大的研究空間。 【參考文獻】
〔1〕 Betz RR.Kyphosis of the thoracic and thoracolumbar spine in the pediatric patient：normal sagittal parameters and scope of the problem［J］.Instl Course Lect，2004，53（2）：479484.
〔2〕 Misra SN，Morgan HW.Thoracolumbar spinal deformity in achondroplasia［J］.Neurosurg Focus，2003，14（1）：4.
〔3〕 Loon PJ，Raissadat K，Loon CJ，et al.Transient kyphotic deformity of the thoracolumbar junction resulting from a large abdominal cyst:a case report［J］.Spine J，2005，5（3）：329331.
〔4〕 吉立新，陳仲強，宋樣平，等.胸腰段壓縮骨折腰椎前凸角度及病變椎體傾斜角度的變化特點［J］.山東醫(yī)藥，1999，39（22）：910.
〔5〕 戴力揚.胸腰椎爆裂性骨折的生物力學(xué)［J］.中國臨床解剖雜志，2001，19（3）：280281.
〔6〕 于濱生，劉少喻，李佛保.脊柱穩(wěn)定重建的解剖及生物力學(xué)特點［J］.脊柱外科雜志，2005，3（1）：4042.
〔7〕 Abumi K，Panjabi MM，Kramer KM，et al.Biomechanical evaluation of lumbar spinal stability after graded facetectomies［J］.Spine，1990，15（11）：11421147.
〔8〕 王新偉，陳德玉，鮑達(dá)，等.小牛胸腰椎解剖、生物力學(xué)研究及其臨床意義［J］.脊柱外科雜志，2003，1（4）：223225.
〔9〕 王向陽，戴力揚，徐華梓，等.胸腰椎不同程度前中柱骨折內(nèi)固定后的生物力學(xué)特征及前路重建的意義［J］.中華創(chuàng)傷雜志，2006，22（3）：214217.
〔10〕 周有禮，周伯禧，李宗修，等.脊柱破裂骨折之生物力學(xué)實驗分析［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，1999，14（1）：15.
〔11〕 Oda I，Cunningham BW，Buckley RA，et al.Does spinal kyphotic deformity influence the biomechanical characteristics of the adjacent motion segments? An in vivo animal model［J］.Spine，1999，24（20）:21392146.
〔12〕 Nielsen LW.Juvenile kyphosis in pigs.A spontaneous model of scheuermanns kyphosis［J］.APMIS，2005，113（10）：702707.
〔13〕 Lowe TG，Wilson L，Chien JT，et al.A posterior tether for fusionless modulaion of sagittal plane growth in a sheep model［J］.Spine，2005，30（17）：6974.
〔14〕 Birnbaum，KCH，Siebert，et al.Correction of kyphotic deformity before and after transection of the anterior longitudinal ligamenta cadaver sudy［J］.Arch Orhop Trauma Surg，2001，121（3）：142147.
〔15〕 趙必增，王以進，李家順，等.椎體成形術(shù)后鄰近椎間盤、椎體的力學(xué)性質(zhì)變化［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2002，17（4）：215219.
〔16〕 王志杰，丁自海，鐘世鎮(zhèn).有限元法在骨應(yīng)力分析及骨科內(nèi)外固定系統(tǒng)研究中的應(yīng)用［J］.中國臨床解剖學(xué)雜志，2006，24（1）：107110.
〔17〕 Liebschner MA，Kopperdahl DL，Rosenberg WS，et al.Finite element modeling of the human thoracolumbar spine［J］.Spine，2003，28（6）：559565.
〔18〕 程立明，陳仲強，張美超，等.胸腰段后凸畸形對相鄰椎間盤力學(xué)影響的三維有限元分析［J］.中國臨床解剖學(xué)雜志，2003，21（3）：273276.
〔19〕 Seel EH，Verrill CL，Mehta RL，et al.Measurement of fracture kyphosis with the Oxford Cobbometer:intraand interobserver reliabilities and comparison with other techniques［J］.Spine，2005，30（8）：964968.
關(guān)鍵字：發(fā)動機；曲柄連桿機構(gòu)；動力學(xué)
曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)特性對于汽車發(fā)動機的可靠性、振動效果、噪聲等有很大關(guān)聯(lián)，利用機械系統(tǒng)動力學(xué)有限元分析平臺（ANSYS）創(chuàng)建D6114B發(fā)動機的仿真動力學(xué)模型，分析發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的曲軸、連桿的模態(tài)數(shù)據(jù)，對準(zhǔn)確的掌握D6114B發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的零部件動力學(xué)特性具有一定的參考價值。
1. 汽車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)模型
汽車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)是由缸體、曲軸、連桿、飛輪活塞，構(gòu)成。上柴D6114B發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1上柴D6114B發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖
缸體與曲軸連接鉸鏈中有一條為轉(zhuǎn)動鉸鏈，其余為圓柱鉸鏈，飛輪與曲軸固定，連接桿與曲軸之間的連接采用轉(zhuǎn)動鉸鏈，其大頭一端連接曲軸，小頭一端連接活塞，活塞與缸體之間采用圓柱鉸鏈連接。
利用以上模型的各個部件的幾何位置參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)建立CAD數(shù)據(jù)模型，傳入給機械系統(tǒng)動力學(xué)有限元分析平臺（ANSYS）進行分析和計算，活塞1-8作用在各缸體氣壓力學(xué)特性輸入ANSYS如圖1所示：
圖1 發(fā)動機各缸氣體壓力特性
得出發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的曲軸模態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示
模態(tài)
階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
頻率 124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1 841.1 947.2
模態(tài)
階數(shù) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
頻率 1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 1745 1862.5 2394.9
2. 曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)分析
當(dāng)對活塞逐級施加壓力0-12/104pa，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)速2200r/min，活塞運動其對氣缸的側(cè)推力在-7804~6960N之間周期性變化，側(cè)推力對汽缸壁的磨損影響很大。缸活塞隊氣缸側(cè)推力如圖2所示：
圖2 缸活塞對氣缸的側(cè)推力
由此，利用對側(cè)推力的周期變化頻譜進行分析，優(yōu)化對發(fā)動機懸置。
發(fā)動機曲軸的載荷能力與曲軸主頸上的進油口、油槽布置情況有關(guān)，同時，曲軸主頸的磨損也與曲軸主軸頸的載荷有關(guān)。發(fā)動機轉(zhuǎn)動一個周期曲軸主軸頸的載荷受力大小成波峰、波谷間變化，在波峰與波谷的頂點出載荷受力最大。由此，可以在布置進油口、油槽布時應(yīng)避開在波峰與波谷點。
發(fā)動機的曲柄連桿軸所承受的力在柄稍處于膨脹沖程最高點時達(dá)到做大力值，最大受力點在柄稍和連桿軸承相接處的位置。因此，可以在布置進油口、油槽布時應(yīng)避開該位置附近。
發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)固定在缸體上，當(dāng)發(fā)動機工作曲柄連桿機構(gòu)運動過程中，產(chǎn)生的慣性會帶動缸體的抖動，而缸體連接的是汽車的車架，通過力的傳導(dǎo)車體就會發(fā)生抖動，這會使駕駛者感覺到形成的振動顛簸，影響行車的舒適感。在曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時發(fā)動機抖動沿著上下、左右、前后成周期性變化，在變化幅度方面上下、左右變化頻率大致相同，前后抖動頻率較高。由此，在發(fā)動機安裝時應(yīng)根據(jù)發(fā)動機抖動的剛度合理選擇懸置點，進而可以降低其對車架的影響，提高駕駛的舒適性。
發(fā)動機工作輸出功率呈波峰、波谷變化，當(dāng)發(fā)動機剛開始運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動逐漸提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)達(dá)到摩擦峰值時，發(fā)動機柄連桿機構(gòu)運動會逐漸下降，發(fā)動機的輸出功率向下滑落，當(dāng)摩擦值小于臨界點時，發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動又逐漸提高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速再次增加，形成循環(huán)。由此，發(fā)動機摩擦峰值的大小直接影響著對發(fā)動機的功率，降低摩擦系數(shù)是提高發(fā)動機動力的有效方法。
3. 結(jié)論
綜上所述，汽車發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)特性與發(fā)動機的功率大小和發(fā)動機的性能息息相關(guān)，提高發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)性能，對于發(fā)動機的性能具有非常重要的作用。
4. 參考文獻
[1]王遠(yuǎn),朱會田,曹永晟,盛德號,谷葉水.基于有限元法的發(fā)動機連桿疲勞強度分析研究[J].機械傳動.2010(03)
[2]葉國林,曾建謀,杜寶雷.柴油機連桿有限元分析[J].內(nèi)燃機.2008(01)
關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定；可靠度；非線性有限元
中圖分類號：U213.1+3 文獻標(biāo)識碼： A
1.1研究歷史及現(xiàn)狀
1.1.1 邊坡穩(wěn)定確定性分析法研究概況
邊坡穩(wěn)定性分析方法有很多，大體上可以分為極限平衡條分法、有限元法、極限分析法(滑移線法)等，其中應(yīng)用最廣泛的是前兩種方法。
極限平衡條分法是建立在莫爾一庫侖強度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上的，其特點是只考慮靜力平衡條件和土的莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則。對于邊坡穩(wěn)定性分析中大多數(shù)的靜不定問題，極限平衡條分法通過引入一些簡化假定來使問題變得靜定可解。極限分析法(滑移線法)與條分法的區(qū)別是滑移線法要求每一單元都達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，而條分法只假定土體沿滑裂面達(dá)到了極限平衡。因此滑移線法得到的是一個保守解(上限解)，而條分法由于并不要求滑體內(nèi)的每一點均處于極限平衡，因此是下限解。
隨著計算機和有限元分析方法的發(fā)展，應(yīng)用嚴(yán)格的應(yīng)力應(yīng)變分析方法分析邊坡穩(wěn)定性問題己成為可能。邊坡穩(wěn)定的有限元分析由于不必對一部分內(nèi)力和滑裂面形狀作出假定，使得分析研究成果的理論基礎(chǔ)更為嚴(yán)密，因而邊坡穩(wěn)定分析的有限元法也逐漸受到重視。
1.1.2 極限平衡條分法
目前常用的極限平衡條分法有：瑞典法、簡化Bishop法、Janbu法、Sarma法、Spencer法、Morgenstern-Price法等。
邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡條分法大體上可分為兩個步驟，一是利用上述各種條分法對滑坡體內(nèi)某一滑裂面求其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：二是在眾多可能的滑裂面中，重復(fù)上述步驟，找出相應(yīng)最小安全系數(shù)的臨界滑面。近年來，最優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用于這一課題，這些方法總體上可以分為枚舉法、數(shù)值分析方法、非數(shù)值分析方法(如：模擬退火法，遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，螞蟻算法，仿生算法)等三類，它在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用研究十分活躍。
1.1.2.1 有限元法
和極限平衡條分法相比，有限元法能更好地反映邊坡巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并且不受邊坡幾何形狀和材料不均勻的限制，因而是邊坡穩(wěn)定性分析中一種較為理想的方法。邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法大體上可以分為兩類：一是基于滑面應(yīng)力分析的有限元法(Slip Surface Stress Analysis，簡稱SSA)，它是邊坡穩(wěn)定性有限元分析中一種常規(guī)的計算方法；二是基于強度折減的有限元法(Strength Reduction Method，簡稱SRM)，這種方法在國外興起于上世紀(jì)九十年代。
邊坡穩(wěn)定有限元法的重要研究內(nèi)容是如何將有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)的安全系數(shù)掛鉤，成為直接用于邊坡設(shè)計的判別依據(jù)。幾乎在有限元法開發(fā)的同時，研究者就開始了其與邊坡穩(wěn)定分析中傳統(tǒng)條分法關(guān)系的研究。
雖然在邊坡穩(wěn)定的有限元分析中可以考慮更為復(fù)雜的本構(gòu)模型，但為了與成熟的極限平衡法相比較，目前工程中最普遍的還是采用Mohr-Coulomb(或Drucke-Prager)準(zhǔn)則的理想彈塑性模型。至于選何種流動法則尚未取得共識，一部分學(xué)者認(rèn)為剪脹角對邊坡穩(wěn)定性的影響不大；另一部分學(xué)者則認(rèn)為不應(yīng)忽視剪脹角對邊坡穩(wěn)定性的影響。
1.1..2.2 邊坡稚定的大變形有限元分析
經(jīng)典有限元法常假定邊坡在荷載作用下發(fā)生的應(yīng)變是微小的，而實際上，邊坡的破壞往往伴隨著大變形條件。研究表明：當(dāng)平均應(yīng)變?yōu)?0%時，剪切帶內(nèi)的應(yīng)變可高達(dá)40%.因此，應(yīng)進行邊坡的大變形有限元可靠度分析。
大變形有限元分析已在結(jié)構(gòu)工程及材料工程中得到廣泛應(yīng)用。但由于巖土工程研究對象的復(fù)雜性，它在巖土工程中的應(yīng)用還不多見，目前的研究多集中于土體的固結(jié)變形及流固禍合分析。李術(shù)才等也采用大變形理論對地下工程進行了分析探討。大變形理論在邊坡工程的應(yīng)用相對很少，施斌等采用大變形有限元方法分析了邊坡體中各單元的應(yīng)力及變形情況；周翠英等采用有限元強度折減法求解了考慮邊坡大變形情況時的邊坡總體安全系數(shù)。
由上述分析可見，大變形分析理論在邊坡工程中的研究還剛剛起步，而且還僅局限于定值法研究。因此，需進行邊坡工程的大變形有限元研究及相應(yīng)的可靠度分析。
1.2可靠度分析方法研究概況
1.2..1結(jié)構(gòu)可靠度理論研究
結(jié)構(gòu)可靠度方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，是其理論逐步發(fā)展和不斷完善的結(jié)果。早期的可靠度計算方法只是考慮隨機變量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的所謂“二階矩模式”，即現(xiàn)在的“中心點法”。由于中心點法不能考慮實際中的非正態(tài)隨機變量以及可靠指標(biāo)的不惟一性等缺點，1974年Hasofer and Lind從兒何上對可靠指標(biāo)進行了定義，將可靠指標(biāo)定義為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間內(nèi)原點到極限狀態(tài)曲面的最短距離。對于非正態(tài)變量Rackwitz和 Fiessler提出一種當(dāng)量正態(tài)轉(zhuǎn)換法，可把非正態(tài)變量變換為等價的正態(tài)變量，同時提出了求設(shè)計點的迭代算法。這種方法被國際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(JCSS)推薦使用，因而亦稱為JC法。對于隨機變量相關(guān)的情形，需要知道隨機變量的聯(lián)合概率分布函數(shù)，然后用Rosenblatt變換將相關(guān)的非正態(tài)隨機變量變?yōu)楠毩⒌臉?biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機變量，這種方法統(tǒng)稱為驗算點法。
1.2.2結(jié)構(gòu)可靠度理論在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用——邊坡穩(wěn)定的可靠度分析
隨著結(jié)構(gòu)可靠度理論的發(fā)展，以及人們對邊坡工程中的不確定性認(rèn)識的逐步深入，邊坡工程的可靠度分析也越來越受到重視。可靠度分析首次于70年代引入邊坡工程。Duncan針對當(dāng)時的情況進行了當(dāng)代水平評述。Ramly等就一個具體的邊坡問題全面闡述了可靠度方法在邊坡中的應(yīng)用。上述文獻的共同特點是：將邊坡穩(wěn)定的各種極限平衡條分法與某種可靠度分析分析方法(主要是MFORM，F(xiàn)ORM，MCSM)相結(jié)合，從而得到邊坡的可靠指標(biāo)或破壞概率。分析表明：可靠度分析中邊坡的最小可靠指標(biāo)面與定值法分析中邊坡的最小安全系數(shù)面是不同的：邊坡穩(wěn)定的可靠度分析中，F(xiàn)ORM法從理論上比MFORM更合理，但由于MFORM法計算簡單，對于近似線性問題，其誤差也不大，因此MFORM與FORM都是邊坡工程中經(jīng)常使用的可靠度分析方法。
1.3 研究目的、意義和方向
1.3.1 研究目的
邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究盡管是一個古老的課題，但隨著現(xiàn)代計算技術(shù)的進步及工程建設(shè)的要求，仍有很多內(nèi)容需要進一步探索。因此，本文的目的是探索一種新的邊坡穩(wěn)定可靠度分析方法—邊坡穩(wěn)定的非線性有限元可靠度分析方法。該方法應(yīng)能反映實際巖土體的非線性性質(zhì)(如材料非線性，幾何非線性)和邊坡工程中的隨機不確定性，從而能更準(zhǔn)確地評價邊坡工程的穩(wěn)定性；該方法應(yīng)能得出邊坡體的整體可靠指標(biāo)及相應(yīng)的滑面位置，從而為滑坡災(zāi)害的風(fēng)險分析、風(fēng)險管理、預(yù)測預(yù)報及加固設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)、安全經(jīng)濟的目的。
1.3.2 研究意義
該方法具有十分重要的科學(xué)意義及實用價值。從科學(xué)意義來看，該項目屬于力學(xué)前沿課題。它綜合了工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、彈塑性力學(xué)、非線性有限元方法、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、可靠度數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)等多學(xué)科的知識，是一門交叉學(xué)科，其研究成果將促進各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。從實用價值來看，這種方法能更真實地反映邊坡工程的本質(zhì)規(guī)律，克服了現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性分析方法中含有諸多不合理簡化假設(shè)的限制，因而能更準(zhǔn)確地評價邊坡的可靠度及破壞概率。工程人員利用這種方法可更好地考慮邊坡工程中各種不確定因素及各種復(fù)雜邊界條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，可更科學(xué)地進行滑坡災(zāi)害的風(fēng)險分析、風(fēng)險管理、預(yù)測預(yù)報及加固設(shè)計。
1.4 展望
利用非線性有限元法分析邊坡的可靠度，能反映實際巖土體的非線性性質(zhì)(如材料非線性，幾何非線性)和邊坡工程中的隨機不確定性，從而能更準(zhǔn)確地評價邊坡工程的穩(wěn)定性；該方法應(yīng)能得出邊坡體的整體可靠指標(biāo)及相應(yīng)的滑面位置，從而為滑坡災(zāi)害的風(fēng)險分析、風(fēng)險管理、預(yù)測預(yù)報及加固設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)、安全經(jīng)濟的目的。但是，要深入研究邊坡工程的可靠度，仍有許多問題值得進一步探討。
參考文獻
[1]陳祖煌. 土坡穩(wěn)定分析-原理、方法、程序[M]. 中國水利水電出版社, 2003:239- 248.
[2]鄭宏, 劉德富, 羅先啟. 基于變形分析的邊坡潛在滑面的確定[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004,23(5):709-716.
1膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立
有限元仿真計算是隨著計算機技術(shù)不斷進步而逐漸發(fā)展起來的一種有效地數(shù)值方法，而用有限元法進行生物力學(xué)分析是近年來發(fā)展起來的一種生物力學(xué)研究方法。伍中慶等[4]結(jié)合X線片用XCT對尸體膝關(guān)節(jié)進行掃描，利用Ansys有限元軟件，對膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型進行重建，包括股骨、脛骨、髕骨及半月板，重建的幾何體逼真、客觀，為分析股骨、脛骨、髕骨和半月板的力學(xué)特性提供了模型基礎(chǔ)。汪強[56]的結(jié)果提示三維模型較以往兩維平面有限元模型有明顯優(yōu)點：①模型網(wǎng)格劃分更細(xì)，建立的單元和節(jié)點更多，模型更接近解剖學(xué)實際。②圖像數(shù)據(jù)直接來自CT掃描，避免了圖像生成、轉(zhuǎn)化與存取中的信息丟失，且圖像精確。③嚴(yán)格區(qū)分了半月板與關(guān)節(jié)軟骨。王光達(dá)等[7]通過一名男性健康志愿者的膝關(guān)節(jié)掃描，通過有限元軟件處理成功建立了一個完整的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括脛骨、股骨、髕骨、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶，髕韌帶及雙側(cè)半月板。模型可以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察，整體外形及各組成部件均與實體標(biāo)本具有滿意的相似性，黃建國等[8]通過了MSCMARC建立膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，得到脛骨骨折患者的膝模型，認(rèn)為對脛骨平臺骨折的診斷，手術(shù)策劃和治療具有較大的指導(dǎo)作用。模型確立后可以為膝關(guān)節(jié)的創(chuàng)傷、骨折的力學(xué)分析及人工關(guān)節(jié)的開發(fā)提供方法學(xué)的支持。姜華亮等[9]在MRI基礎(chǔ)上建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括膝關(guān)節(jié)所涉及的幾乎所有骨骼、軟骨，半月板和韌帶等基本力學(xué)的模型，并認(rèn)為MRI比CT對軟組織顯像更清晰。重建的模型更逼真、客觀，能夠更真實地反映膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點和生物力學(xué)屬性。
2有限元在膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用
人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)復(fù)雜多樣，更多的力學(xué)反映在運動過程中，受力特點更加復(fù)雜。因此，應(yīng)用三維有限元方法建立膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，無創(chuàng)、快速地研究膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性、損傷的機理，對指導(dǎo)臨床工作有現(xiàn)實意義。有研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)伸直時應(yīng)力主要分布于ACL近股骨上點處。說明ACL是對抗脛骨前移的主要結(jié)構(gòu)，其與臨床上ACL損傷多發(fā)生在股骨上點處相一致。膝關(guān)節(jié)屈曲時，PCL是對抗脛骨前移的首要結(jié)構(gòu)，且應(yīng)力主要集中在近脛骨止點處，這與臨床PCL斷裂多發(fā)生在脛骨止點處相一致。同時對模型施加內(nèi)外翻應(yīng)力，分別在LCL腓骨上點和MCL近股骨上點應(yīng)力較大，說明MCL、LCL是對抗膝外、內(nèi)翻的主要結(jié)構(gòu)。與臨床內(nèi)、外側(cè)副韌帶損傷位置一致。進一步驗證了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪強等[5]通過對膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立，同時研究了加載后，得到膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)面典型節(jié)點Von Mises應(yīng)力值，提示正常膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前、后部大，中部小分布；外側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前部大，中后部稍小分布，且較內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面分布均勻。姚杰等[11]利用膝關(guān)節(jié)有限元模型和模擬跳傘著陸實驗數(shù)據(jù)，對半蹲式跳傘著陸過程進行數(shù)值模擬，并分析膝關(guān)節(jié)損傷的機理。結(jié)果顯示，關(guān)節(jié)內(nèi)組織的應(yīng)力水平隨著跳落高度的增加而增加，外側(cè)半月板和關(guān)節(jié)軟骨承受了較大的載荷，前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶在屈膝角度達(dá)到最大時產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，此時更易斷裂。吳宇峰等[12]通過有限元模型研究了髕骨在運動及損傷過程中的受力情況，結(jié)果顯示應(yīng)力集中于髕骨的上極和下極，說明骨折的好發(fā)部位即在髕骨的上下級，與臨床基本相符。辛力等[13]通過有限元方法對合并膝關(guān)節(jié)脫位的脛骨平臺骨折4種內(nèi)固定方法進行比較。結(jié)果提示MDP（內(nèi)側(cè)雙鋼板）固定后的應(yīng)力最小，其后依次是BDP（雙側(cè)雙鋼板）與MSP（內(nèi)側(cè)T型單鋼板+拉力螺釘），而LLP（外側(cè)鎖定鋼板+拉力螺釘）固定的應(yīng)力最高。給臨床治療類似骨折選擇治療方案提供參考。
3膝關(guān)節(jié)置換相關(guān)有限元分析研究
人工膝關(guān)節(jié)置換是治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝關(guān)節(jié)置換。三維有限元法是先進而有效的生物力學(xué)分析方法，利用該方法從生物力學(xué)角度分析全膝關(guān)節(jié)置換后的應(yīng)力分布情況對探討全膝置換有重要意義。膝關(guān)節(jié)置換前要對患者膝關(guān)節(jié)病情有詳細(xì)了解，全面檢查，嚴(yán)格選擇假體類型。根據(jù)假體的使用部位將假體分為單髁假體（單間隔假體）、不包括髕股關(guān)節(jié)置換的全關(guān)節(jié)假體（雙間隔假體）、全關(guān)節(jié)假體（三間隔假體）。如果術(shù)前對準(zhǔn)備手術(shù)的膝關(guān)節(jié)進行CT掃描、重建，建立三維有限元模型，然后進行逆向工程CAD/CAM，選擇制作適合該關(guān)節(jié)的人工假體必將更適應(yīng)患者，術(shù)后生物力學(xué)性能必將更好，松動翻修的機率將明顯降低[]。術(shù)中選擇置換假體，脛骨和股骨配對關(guān)系，術(shù)后假體接觸表面的應(yīng)力變化可能增加磨損及松動的風(fēng)險，有研究[15]將股骨側(cè)3號鈷鉻合金假體，與脛骨側(cè)25號（3/25配對），3號（3/3配對），4號（3/4配對）鈦合金金屬托及對應(yīng)尺寸的10 mm厚度聚乙烯墊片配對。構(gòu)建有限元模型，模擬雙腿站立，平地行走，上樓梯情況下，對各屈膝角度的最大等效應(yīng)力進行研究。發(fā)現(xiàn)3/25配對，3/4配對假體接觸面最大等效應(yīng)力明顯增高，有增加聚乙烯墊片磨損風(fēng)險。同時Liau等[16]研究了假體對線不齊時接觸應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力大幅度增加。定制假體盡管重建保肢符合人體生物力量規(guī)律，短柄假體可引起骨水泥應(yīng)力集中，重建后發(fā)生骨折，骨水泥碎裂風(fēng)險較高，但過度增加柄長對骨的應(yīng)力遮擋水平也相應(yīng)增大[17]。膝關(guān)節(jié)置換后要能負(fù)重行走是最終目標(biāo)，許多靜態(tài)的模型并未涉及其中。最近有研究者對其關(guān)節(jié)高屈曲活動下運動和應(yīng)力等動態(tài)特征進行了研究。通過建立包括主要骨和軟組織的全膝關(guān)節(jié)置換前后的膝關(guān)節(jié)的動態(tài)有限元模型，對天然及全膝置換后膝關(guān)節(jié)下蹲運動和接觸應(yīng)力分布進行分析。結(jié)果表明在膝關(guān)節(jié)過伸和高屈曲時，在脛骨高分子聚乙烯平臺的脛骨平臺輪柱和平臺前部的交界處，脛骨平臺內(nèi)后方和輪柱后部3個區(qū)域發(fā)生較高的接觸應(yīng)力，這些也正是假體發(fā)生較高磨損的部位。這為膝關(guān)節(jié)假體的摩擦學(xué)研究及膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計提供有力的分析工具[18]。
4問題與展望
盡管有限元分析方法在膝關(guān)節(jié)外科研究中有諸多優(yōu)點，能重建出與真實人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)基本一致的模型，重建的模型逼真、客觀，可以自由旋轉(zhuǎn)，添加、調(diào)整相關(guān)參數(shù)可以進行人體和動物實驗無法完成的生物力學(xué)研究。但它作為一項仍然沒有成熟的技術(shù)，還有許多不足：①研究所用硬件、軟件多為進口，價格昂貴。②操作過程繁瑣復(fù)雜，作為臨床醫(yī)務(wù)人員，學(xué)習(xí)周期長，較難熟練掌握。③人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間關(guān)系密切，互相影響，脫離其他因素，簡單研究骨骼、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨本身就有失偏頗。④將骨骼內(nèi)各向同性，各向異性等同考慮，簡化操作，明顯不妥。⑤膝關(guān)節(jié)許多特征及生物力學(xué)都是在運動中表現(xiàn)出來，但許多有限元的研究是靜態(tài)的，未考慮動態(tài)研究，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。⑥載荷和邊界條件的選擇，基本都是人為確定的，很多參考國外的文獻，而這是否適用于國人亦未可知。所有這些問題，希望隨著對膝關(guān)節(jié)發(fā)病機理的進一步認(rèn)識、計算機處理能力的進一步提高、CT和MRI成像技術(shù)的不斷完善而逐步得到解決，使之更好地為臨床服務(wù)。
參考文獻
[1]Li W， Abram F Human hip joint cartilage： MRI quantitative thickness and volume measurements discriminating acetabulum and femoral head. IEEE Trans Biomed Eng，2008，55（12）：27312740.
[2]楊玉海，崔誼，崔允峰，等螺旋CT三維重建評價膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷的臨床應(yīng)用價值 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2004，（1）：45.
[3]Ben djaballah MZ， ShiraziAdl A， Zukor DJFinite dement analysis of human knee joint in varusvalgus Clin Biomech （Bristol，Avon），1997，12 （3）：139.
[4]伍中慶，吳宇峰，蘇培基，等膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立中華實用中西醫(yī)雜志，2004，4（17）：297071.
[5]汪 強，孫俊英，賴震，等膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立陜西醫(yī)藥雜志，2007， 36（3）：210212.
[6]Hirokawa，S， Tsuruno，R， Threedimensional deformation and stress distribution in an analytical/computational modelof the anterior cruciate ligament. Journal of Biomechanics，2000，33：10691077.
[7]王光達(dá)，張祚福，齊曉軍，等膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，（52）：97029705.
[8]黃建國，史慶南，嚴(yán)繼康，等.膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的重建.中華醫(yī)學(xué)研室雜志，2006，6（4）：415416.
[9]姜華亮，華錦明，許新忠，等正常人膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立.蘇州大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2008；28（3）：421422.
[10]G Limbert， MTaylor， JMiddleton Threedimensional finite element modeling of the human ACL： simulation of passive knee flexion with a stressed and stressfree ACL. Journal of Biomechanics，2004，37：17231731.
[11]姚杰， 牛文鑫，王旸，等跳傘著陸過程中膝關(guān)節(jié)損傷的有限元研究 醫(yī)用生物力學(xué)，2010，25（4）：244248.
[12]吳宇峰，蘇培基，伍中慶，等髕骨的三維有限元重建及初步力學(xué)分析 中國中醫(yī)骨傷科雜志，2004，12 （2）：13.
[13]辛力，王業(yè)華 合并膝關(guān)節(jié)脫位的脛骨內(nèi)側(cè)平臺骨折4種內(nèi)固定方法的生物力學(xué)性能靜態(tài)有限元分析徐州醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2008，28（8）：533536.
[]Bougherara H， Zdero R， Mahboob Z，et alThe biomechanics of a validated finite element model of stress shielding in a novel hybrid total knee replacement Proc Inst Mech Eng H，2010，224（10）：120919.
[15]Completo A， Rego A， Fonseca F， et al Biomechanical evaluation of proximal tibia behaviour with the use of femoral stems in revision TKA： an in vitro and finite element analysis Clin Biomech （Bristol， Avon），2010，25（2）：15965.
[16]liau J J， Cheng C K， Huang C H， et al The efect of malalignment on stresses in polyethylene component of total knee prosthesesa finite element analysis Clinical Biomechanics，2002，17：06.
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土岔管有限元襯砌
中圖分類號：TU37文獻標(biāo)識碼： A
1概述
岔管是水電站輸水性統(tǒng)中的重要組成部分，類型較多，其中埋置在地下的岔管一般分為地下埋藏式鋼岔管和地下埋藏式鋼筋混凝土岔管。近年來，許多電站岔管深埋于地下，具有高水頭、大直徑的特點。地下埋藏式鋼岔管存在著焊接工藝復(fù)雜、施工困難及容易失穩(wěn)等弊端。因而，在地形和地質(zhì)條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土岔管，以充分利用圍巖來承擔(dān)內(nèi)水壓力，減薄襯砌，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理的目的[1]。
由于岔管結(jié)構(gòu)屬于體型復(fù)雜，對安全性要求較高的結(jié)構(gòu)物，通常對其進行有限元分析。本文根據(jù)設(shè)計院提供的有關(guān)資料，運用大型有限元分析軟件對白蓮崖水庫工程發(fā)電引水隧洞的岔管部分進行了三維有限元分析，對岔管的結(jié)構(gòu)特性進行了分析研究。
2工程概況
白蓮崖水庫工程位于安徽霍山境內(nèi)淠河上，其發(fā)電引水隧洞的岔管部分，為鋼筋混凝土襯砌。主管襯后直徑6m，襯砌厚度為1m。支管襯后直徑為3.8m，襯砌厚度為0.8~1m。岔管為Y型分岔，分岔角為40°。岔管采用的混凝土強度等級為C25，鋼筋才用HRB335級鋼。岔管處圍巖為Ⅰ~Ⅱ類。襯砌頂拱回填灌漿壓力取0.3MPa灌漿壓力。詳細(xì)材料信息見下表：
表1材料參數(shù)表
3有限元計算
計算軟件采用大型通用有限元軟件ANSYS7.0。為了保證模型與真實結(jié)構(gòu)的相似性，建摸采用三維實體建摸，圍巖和襯砌均采用6面體8節(jié)點等參單元進行模擬。
3.1 計算范圍選取
對埋藏式鋼筋混凝土岔管進行有限元分析時，要對岔管及圍巖一起進行分析。由于受到網(wǎng)格劃分密度以及計算機容量的限制，在盡量滿足計算精度的前提下，要采用較小的范圍。常規(guī)的遂洞計算在彈性力學(xué)里屬于無限大彈性體的中央孔口問題。通常情況下圍巖的計算范圍為孔徑的5倍左右[2]。因此，以岔管主管軸線為中心線，前后、左右各取15m的范圍。
3.2 計算模型
由于岔管結(jié)構(gòu)體型和作用荷載對稱于通過主管軸線的豎直平面，故取岔管的1 /2結(jié)構(gòu)進行計算。模型坐標(biāo)原點定在支管端面與其軸線的交點上，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，支管逆水流方向為z軸。對建立的三維實體模型進行有限元離散，共得到70220個單元。離散域下巖石外邊界設(shè)置三向約束。計算模型如圖1、2所示：
圖1圍巖及岔管模型剖面圖 圖3 岔管模型圖
3.3 正負(fù)號的選取
應(yīng)力值：正號表示為拉應(yīng)力，負(fù)號表示為壓應(yīng)力。
應(yīng)變：伸長為正，縮短為負(fù)。
位移：向坐標(biāo)軸正方向的位移為正，向坐標(biāo)軸負(fù)方向的位移為負(fù)。
3.4 計算荷載和計算工況
在內(nèi)水作用時計算荷載主要有：設(shè)計內(nèi)水、襯砌自重、水錘壓力。在外水作用時計算荷載主要有：地下水、圍巖抗力。
對于不同的內(nèi)水作用和外水作用進行組合，得到5種典型工況組合。
工況1：正常蓄水位（208m）+水錘壓力+外水壓力+襯砌自重+圍巖抗力；
工況2：外水壓力+襯砌自重+圍巖抗力；
工況3：發(fā)電校核庫水位（211.58m）+水錘壓力+外水壓力+襯砌自重+圍巖抗力；
工況4：外水壓力+灌漿壓力+襯砌自重+圍巖抗力；
工況5：庫水位（234.5m）+外水壓力+襯砌自重+圍巖壓力和抗力―控制工況。
3.5 計算結(jié)果
限于篇幅，本文只對工況5（控制工況）的計算結(jié)果進行分析，岔管典型截面的應(yīng)力和應(yīng)變分布如下圖所示。
圖3典型截面位置分布圖
⑴應(yīng)力
圖4 襯砌環(huán)向應(yīng)力圖圖 圖5 Ⅰ-Ⅰ截面環(huán)向應(yīng)力圖
圖6 Ⅱ-Ⅱ截面環(huán)向應(yīng)力圖 圖7 Ⅲ-Ⅲ截面環(huán)向應(yīng)力圖
工況五狀況下，岔管主管環(huán)向應(yīng)力為0.6~1.5MPa之間。支管0.6~2.0MPa之間，應(yīng)力較大值出現(xiàn)在支管平面部分向圓弧部分過渡區(qū)域。
⑵應(yīng)變
圖8 環(huán)向應(yīng)變圖圖9 徑向應(yīng)變圖
4成果分析與配筋
工況五下，根據(jù)有限元計算結(jié)果得岔管主管和支管各截面應(yīng)力值大小如下表所示：
根據(jù)所計算的應(yīng)力對岔管的主管和支管分別進行配筋，采用規(guī)范的拉應(yīng)力圖法進行[3]。經(jīng)計算得：
岔管主管配筋率μ=0.55
岔管支管配筋率μ=0.63
5結(jié) 語
⑴岔管是典型的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),必須通過三維有限元分析才能對地下鋼筋混凝土岔管的應(yīng)力狀態(tài)和工作性能作出較為正確、全面的認(rèn)識和判斷。本研究通過對岔管進行有限元分析，根據(jù)得到的應(yīng)力結(jié)果對截面進行配筋,更可以定量化地指導(dǎo)工程的設(shè)計與優(yōu)化。
⑵對有限元分析結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，在岔管分岔角處的應(yīng)力值都比較大，存在著明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以在設(shè)計和施工時，應(yīng)對岔管分岔角進行修圓處理，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。
⑶在內(nèi)水作用下襯砌全截面受拉，襯砌內(nèi)壁的拉應(yīng)力大于外壁的拉應(yīng)力。襯砌的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在管腰水平位置處。
⑷在外水作用下, 岔管襯砌中各個截面的環(huán)向應(yīng)力多為壓應(yīng)力,襯砌內(nèi)壁的壓應(yīng)力大于外壁的壓應(yīng)力，小于混凝土的抗壓設(shè)計強度。因此在進行放空檢修時，岔管不會出現(xiàn)受壓破壞現(xiàn)象。
⑸為了加強圍巖與襯砌的共同作用，對圍巖進行回填灌漿和高壓固結(jié)灌漿，充分利用圍巖和混凝土襯砌聯(lián)合作用抵御內(nèi)水壓力和外水壓力，節(jié)省工程造價。
參考文獻：
[1] 韓前龍等.地下鋼筋混凝土岔管應(yīng)力分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，38（3）31～35.
1. 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010110；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院脊柱外科，內(nèi)蒙古呼和浩特 010059
[摘要] 三維有限元分析法是研究脊柱生物力學(xué)的重要手段之一。隨著三維有限元分析軟件技術(shù)的日趨成熟和對脊柱生物力學(xué)的認(rèn)識不斷加深，為相關(guān)學(xué)者對治療脊柱相關(guān)疾病過程中的應(yīng)力分析影響研究提供了有利條件，并日益受到醫(yī)學(xué)界的重視。本文從有限元法概念及原理、構(gòu)建脊柱有限元模型的作用、有限元在脊柱畸形研究中的應(yīng)用及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景等方面綜述了近年來的一些研究進展。
[關(guān)鍵詞] 有限元法；生物力學(xué)；脊柱
[中圖分類號] R682.3 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2014）03（a）-0166-03
Finite element analysis of progress in application of ankylosing spondylitis kyphosis deformity
ZHU Lei1 HUO Hongjun2
1.Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010110， China； 2.Department of Spinal Surgery， the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Huhhot 010059， China
[Abstract] The three-dimensional finite element method is one of the most important methods in the study of spine biomechanics. With the maturing application of the three-dimensional finite element analysis software and further studies on spine biomechanics， it is creating favorable conditions for scholars on stress analysis influence research in spine-related disease treatment， and it is increasingly regarded in medical field. This article shows the concept and principle of finite element method， function of construction of spinal finite element model， application of finite element method in spine deformity， potential medical applications and so on.
[Key words] Finite element method； Biomechanics； Spine
強直性脊柱炎后凸畸形是強直性脊柱炎并發(fā)脊柱畸形的晚期的常見表現(xiàn)，其在生活中主要表現(xiàn)在是使患者難以保持人體的重心，兩眼看地，難以向前平視，給站立和行走造成了很大功能障礙，使患者的生活質(zhì)量嚴(yán)重下降，而治療這類患者的有效手段就是截骨矯形術(shù)[1]。有限元法的基本方法是把獨立的集合體離散化，簡單的說，就是把一個由無限個單元組成的連續(xù)體進行劃分，使其成為有限的具有力學(xué)特性的簡單單元，用簡化后的已知單元來近似原有的連續(xù)體，然后進行解析。其過程有三個基本階段：有限元模型的建立（即前處理）、有限元解算、結(jié)果處理和評定（即后處理）[2]。通過有這種方法能夠進行數(shù)字重建并在該基礎(chǔ)上進行手術(shù)過程的模擬，使術(shù)者對整個手術(shù)過程有更加全面的了解，對術(shù)可能出現(xiàn)的問題及應(yīng)注意的事項作全面的分析，對手術(shù)的方案具有指導(dǎo)意義[3]。
1 有限元法概念及原理
建立一個等價的模型使其替換原有的真實結(jié)構(gòu)，此模型是由無數(shù)個分散的單元（即有限元素）組成的連續(xù)體，且其中這些單元易用數(shù)學(xué)語言表達(dá)，按照一定規(guī)律保證其連續(xù)性，將它們還原成可以用線性代數(shù)描述的真實的連續(xù)結(jié)構(gòu)，通過運算可以解析出所需物理量的方法即有限元法，又稱為有限元素法（finite element method，F(xiàn)EM）。將單獨的彈性體進行離散化，使其成為由有限個單元所構(gòu)成的連續(xù)體，而連續(xù)合體內(nèi)的各個單元只能夠在有限個節(jié)點上進行交接，其中全部的節(jié)點僅具有有限個自由度，在此條件下進行解析成為可能，這就是有限元分析的方法。將微分方程的持續(xù)形式轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)方程組，是其在數(shù)學(xué)意義上的表達(dá)。而有限元法亦是憑借位移法的思考方式，以能量轉(zhuǎn)換的原理為基礎(chǔ)，利用矩陣代數(shù)形式進行表達(dá)的一種數(shù)值方法。有限元法對處理各種紛亂的邊界條件和繁瑣的幾何形狀非常有效，且可以有效的解決各類雜亂的材料及其屬性。而如果利用計算機軟件來模擬人體體內(nèi)的一些情況，可以通過控制一些實驗室的條件，例如有限單元、自由度等來完成。這種方法在骨科生物力學(xué)中開始逐漸應(yīng)用起源于20世紀(jì)70年代，而直到20世紀(jì)90年代，隨著電腦技術(shù)的不斷發(fā)展升級，計算機圖像處理技術(shù)和電腦軟件的聯(lián)系逐漸加深，從而才出現(xiàn)的數(shù)字醫(yī)學(xué)有限元分析（DM-FEM）技術(shù)。現(xiàn)在有限元分析早已成為探索骨科生物力學(xué)秘密的常用方法了[4-5]。現(xiàn)行有限元分析的軟件種類十分繁多，且基本上都是國際通用的，他們在汽車制造、模具的研發(fā)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的有十分廣泛的應(yīng)用。ANSYS、MARCABAQUS、ABAQUS等各個有限元軟件利弊，但它們的運算方法大多類似，基本一致。如今有限元分析早已成為獨立的研究骨科生物力學(xué)的手段，且早已不是最初以觀察和驗證某些實驗的結(jié)果為目的而應(yīng)用的了。
2 有限元模型在骨科應(yīng)用中的優(yōu)劣分析
2.1 有限元模型的優(yōu)勢
首先通過有限元模型可以模擬許多實體的變化，例如強直性脊柱炎后凸畸形矯形術(shù)前與術(shù)后的對比，脊柱截骨術(shù)前后脊柱形狀的改變等；其次是在生物力學(xué)方面的研究，例如椎骨與椎間盤之間的生物力學(xué)變化，對它們內(nèi)在的張力和應(yīng)力進行有限元分析，對于尋找出骨適應(yīng)性變化的原因有重大幫助，并且這對進行實體模型的負(fù)載應(yīng)力實驗研究亦有重要意義，而在其他實驗中無法做到這些；然后通過有限元模型可以對脊柱器械元件長短、厚度的設(shè)計、材料的選用進行分析，在新的脊柱器械仍在研發(fā)階段時對其進行評估；再次有限元模型能對損傷及退變、結(jié)核等多種病變進行模擬；最后該模型可以模擬肌肉對脊柱力學(xué)的影響。所以這種方法在進行脊柱運動學(xué)、脊柱動力學(xué)和脊椎及椎間盤內(nèi)部的生物力學(xué)變化等各種研究方面擁有很大優(yōu)勢。
2.2 有限元模型的局限性主要存在兩個方面
第一方面，該模型的建立過分依賴標(biāo)本的實驗研究：首先，要建立有限元模型，需要與實驗?zāi)Ｐ瓦M行對比，而實驗?zāi)Ｐ屯菑囊呀?jīng)做過的或者文獻中搜尋到的較為合適的，將兩者的結(jié)果進行對比，它們的吻合度高表示該模型的有效性好，這是驗證有限元模型的有效性的方法。但是建立的數(shù)學(xué)模型能夠很好的表達(dá)實驗結(jié)果，可當(dāng)其單獨的進行預(yù)測的時候，其作用有限；其次，有限元模型建立的完全取決于模型的構(gòu)成，能否取得合理的數(shù)據(jù)，直接影響著模型建立的結(jié)果。而有限元模型的本身并不能直接得到數(shù)據(jù)，它取得數(shù)據(jù)的最主要渠道就是從實體標(biāo)本模型中獲得，例如各種骨和軟組織的材料的特征數(shù)據(jù)，然而這些數(shù)據(jù)并不是完全正確的，這其中包含了許多原有的錯誤，且這些數(shù)據(jù)并不是都適用于數(shù)學(xué)模型，更重要的有些數(shù)據(jù)甚至根本無法取得，這是有限元模型不能夠理想建立的重要原因。第二方面，有限元模型存在太多的簡化和假設(shè)：首先，與實體的標(biāo)本和活體的實驗進行比較，數(shù)字模型的建立是由對其進行實驗的人員進行自由地對其進行各種假想，選用不同的材料及屬性，對實驗進行相對理想的簡化，更重要的是對各種繁雜成分的材料的生物力學(xué)特性作理想化的簡化假設(shè)，這樣能夠使得模型的有效性更為重要也更加難以實現(xiàn)。其次，椎體的完整形態(tài)與其相鄰的椎體的位置關(guān)系對預(yù)測脊柱椎體間的生物力學(xué)關(guān)系有很重大的意義，但這些數(shù)據(jù)都是在CT斷層片中獲取的，或是從實體標(biāo)本中取得的相近值。要建立脊柱有限元模型中脊椎的幾何形態(tài)，首先應(yīng)將其進行簡化，以相對簡單的構(gòu)件來進行相對真實的幾何形狀模擬，用這樣的方式建立的幾何形態(tài)并不準(zhǔn)確。
3 有限元法在脊柱畸形研究中的應(yīng)用
有限元模型的離散化是指將一個由無限個單元所組成的集合體劃分成有限個的有力學(xué)特性的已知的簡單單元，這是其基本原理，這也是一種全新的生物力學(xué)測試方法。利用此方法的有限元模型能夠與先前的實體進行替換，按照先前實體的材料及其應(yīng)該的加載的力學(xué)狀態(tài)，按照其所需要的類型進行挑選，在各個單元之間通過節(jié)點進行相連，使力在節(jié)點之間傳遞。而用單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值可以求得單元內(nèi)部的待求量[6]。
為了對脊柱側(cè)凸、后凸畸形矯形手術(shù)中，椎體在術(shù)前與術(shù)后中的的改變進行比較，應(yīng)用數(shù)字成像技術(shù)，在脊柱畸形矯形手術(shù)中，定量分析矯形定位的椎體并對其旋轉(zhuǎn)和形矯形進行量化對比，Dumas等[7]運用此方法來評估脊柱側(cè)凸、后凸畸形的程度及觀察手術(shù)效果，所以掌握脊柱相關(guān)病變的病理性變化對于確診和制定手術(shù)方案具有重要的意義。
晚期強直性脊柱炎后凸畸形必須進行脊柱截骨矯形手術(shù)，這是治療這類疾病的有效手段。生物力學(xué)（Biomechanics）是一種將力學(xué)原理應(yīng)用在生物體生命活動規(guī)律的一門學(xué)科，它把各個單一的學(xué)科整合在一起，使其相互疊加、共同作用形成了一門的新的將力學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)的新學(xué)科[8-10]。由于不同類型柔韌性評估方法根據(jù)其力學(xué)原理的異同，在各類脊柱側(cè)凸中，采用相同的力學(xué)加載，所得到的結(jié)果必然不同。這為在不同力學(xué)加載產(chǎn)生的脊柱側(cè)凸的形狀進行的柔韌性評估方法的問題探索給出了重要的根據(jù)[11]。利用生物力學(xué)的有限元方法，可以針對具體病例、具體矯形器械和矯形策略進行模擬，預(yù)測術(shù)后矯形結(jié)果，分析術(shù)中參數(shù)選擇對結(jié)果的影響權(quán)重，進而指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃。Lafage等[12]為了對CD系統(tǒng)的矯形策略進行探討，建立了以具體病例為依據(jù)的梁單元模型，這不僅僅讓人們對胸腰椎側(cè)凸矯形的上下端椎位置改變對術(shù)后矯形結(jié)果的原因有了深入的了解，更重要的是其引入了側(cè)凸脊柱的剛度變化這一重要概念。Rolmann等[13]在ABAQUS軟件中建立了簡化的胸腰椎側(cè)凸有限元模型，以加載方式為變量，初步討論了前路VDS系統(tǒng)的矯形策略。為了對支具、器械與生長調(diào)制等進行實驗研究，是Aubin等[14]利用從CT斷層片中取得的數(shù)據(jù)，建立起了人體胸腔和脊柱的數(shù)字模型，與實體標(biāo)本中取得的數(shù)據(jù)進行比較，有較高的吻合度，從而建立起了相對完整的數(shù)字模型，并以該模型為基礎(chǔ)模擬出相應(yīng)的各種用具。而通過器械治療胸腰椎側(cè)凸過程，是Poulin等[15]用ADAMS軟件模擬出的。模擬手術(shù)的重要目的之一是分析脊椎的安全性，Lafage等[12]依照真實的病例重建了數(shù)字模型，希望能表達(dá)出椎間軟組織的彈性變形，為此還引入側(cè)凸脊柱的剛度變化，但卻將脊柱的骨性結(jié)構(gòu)作為剛體來相近處理，所以根本不可能取得與脊柱生物力學(xué)相符的力學(xué)變化，這明顯不能夠?qū)崿F(xiàn)。Rohlmann等[16]利用數(shù)字模型比較了前、后路內(nèi)固定器械的穩(wěn)定性差別，并建立了頗具代表性的腰椎模型。這些工作都還處于初級階段，但是已經(jīng)展示了有限元方法在手術(shù)規(guī)劃領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
4 三維有限元的應(yīng)用前景
利用生物力學(xué)的有限元方法，可以針對具體病例、具體矯形器械和矯形策略進行模擬，預(yù)測術(shù)后矯形結(jié)果，分析術(shù)中參數(shù)選擇對結(jié)果的影響權(quán)重，進而指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃。有限元分析的結(jié)果取決于不同因素對其產(chǎn)生的影響，其中包括模型的建立，不同模型間形狀和材料屬性的異同，還有對其負(fù)荷加載的差異等等，但這種分析研究的方法對在脊柱生物力學(xué)方向上有著極其廣泛而又深入的探索。
Rohlmann等[17]在ABAQUS軟件中建立了簡化的胸腰椎側(cè)凸有限元模型，以加載方式為變量，初步討論了前路VDS系統(tǒng)的矯形策略。脊柱力學(xué)特性研究的較為常用的方法是有限元法，從基本原理的角度看，其能夠應(yīng)用于任何的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可在脊柱的力學(xué)特性方面，還有許多尚無法解釋的難點，例如頸椎有限元模型的建立，就仍需要繼續(xù)去驗證。所以要用數(shù)字模型來模擬近乎真實的人體，還有很長的路要走。近年來由于計算機科技水平的持續(xù)提高，且對探索脊柱組織力學(xué)特性的需要逐漸深入，數(shù)字模型的建立將可以逐漸真實的對脊柱在各種狀態(tài)下的生物力學(xué)變化進行模擬，這對臨床病例上遇到的常見難題會有更加透徹的了解，從而可以給醫(yī)生在生物力學(xué)方面提供更好的參考。有限元方法是脊柱生物力學(xué)研究的有效方法，由于電子科技水平的持續(xù)性提高，且在生物力學(xué)領(lǐng)域的的探索的逐漸深入，這不僅使有限元軟件的技術(shù)水平得到了提高，還將對脊柱生物力學(xué)的探索引向更深入的層次。
[參考文獻]
[1] 宋若先，張永剛.強直性脊柱炎后凸畸形矯形修復(fù)中截骨方法的進展[J].中國組織工程研究，2012，21（17）：586-587.
[2] 古成中，吳新躍.有限元網(wǎng)格劃分及發(fā)展趨勢[J].計算機科學(xué)與探索，2008，2（3）：248-259.
[3] 李景欣，瞿東濱，王博亮，等.計算機輔助設(shè)計在強直性脊柱炎后凸畸形矯形手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國臨床解剖學(xué)雜，2008，26（6）：619-623.
[4] 傅征，梁銘會.數(shù)字醫(yī)學(xué)概論[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2009：72-73.
[5] 裴國獻，張元智.數(shù)字骨科學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2009：504-505.
[6] 倪偉峰，徐建廣.有限元法在脊柱結(jié)構(gòu)和腰椎融合生物力學(xué)評價中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，12（30）：5949-5952.
[7] Dumas R，Steib J P，Mitton D，et al. Three-dimensional quantitative segmental analysis of scoliosis corrected by the in situ contouring technique [J]. Spine （Phila Pa 1976），2003，28（11）：1158-1162.
[8] Kupczik K. Virtual biomechanics：basic concepts and technical aspects of finite element analysis in vertebrate morphology [J]. J Anthropol Sci，2008.86：193-198.
[9] Ross CE. Finite element analysis in vertebrate biomechanics [J]. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol.2005，283（2）：253-258.
[10] Hu Y，Zhao HY，Xu RM. Biomechanical application of finite element method in upper cervical spine [J]. Zhongguo Gu Shang，2012， 25（3）：262-266.
[11] Little JP，Adam CJ. The effect of soft tissue properties on spinal flexibility in scoliosis：biomechanical simulation of fulcrum bending [J].Spine（Phila Pa 1976），2009，34（2）：E76-82.
[12] Lafage V，Dubousset J，Lavaste F，et al. 3D finite element simulation of Cotrel-Dubousset correction [J]. Computer Aided Surg，2004，9（1-2）：17-25.
[13] Rohlmann A，Richter M，Zander L et al. Effect of different surgical strategies on screw forces after correction of scoliosis with a VDS implant [J]. Eur Spine J，2006，15（4）：457-464.
[14] Aubin CE，Petit Y，Stokes IA，et al.Biomechanical modeling of posterior instrumentation of the scoliotic spine [J]. Comput Methods Biomech Biomed Engin，2003，6（1）：27-32.
[15] Poulin F，Aubin CE，Stokes IA，et al. Biomechanical modeling of instrumentation for the scoliotic spine using flexible elements： a feasibility study [J]. Ann Chir，1998，52（8）：761-767.
[16] Rohlmann A，Zander T，Bergmann G. Comparison of the biomechanical effects of posterior and anterior spine-stabilizing implants [J]. Eur Spine J，2005，14（5）：445-453.
關(guān)鍵詞：分析法設(shè)計 核級管道支吊架 評定截面 板殼型支撐 線型支撐 截面線性化 承載能力
1 前言
核電站中通常有成千上萬個管道支吊架，其中大部分為標(biāo)準(zhǔn)支吊架。傳統(tǒng)設(shè)計中，標(biāo)準(zhǔn)支吊架的設(shè)計是根據(jù)預(yù)先評估過的標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計手冊進行的。該設(shè)計手冊編制和擴充需要大量的預(yù)先計算和評定。此外，在工程實施中，經(jīng)常會碰到標(biāo)準(zhǔn)支吊架形式可以滿足，但尺寸不滿足的情況，這就需要額外的評定。以上所有的計算和評定的流程是：手工建模—程序計算—手工評定。該過程十分繁瑣，計算十分耗時耗力。
本文運用分析法設(shè)計，研究制定了支架有限元分析計算的分析評定方法和步驟，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)了管道支吊架設(shè)計及分析計算程序，不僅實現(xiàn)了對管道支吊架準(zhǔn)確、合理、有效的分析評定，而且提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)型式和復(fù)雜承載方式的支架的分析計算和設(shè)計能力，在短時間內(nèi)完成了大量管道支吊架的分析計算與設(shè)計修改工作。管道支吊架設(shè)計及分析計算程序用Visual Basic語言和Fortran語言開發(fā)，實現(xiàn)了按照2001年版ASME規(guī)范NF的要求，對管道滑動、導(dǎo)向、固定、雙向、剛性吊架、彈簧吊架等各種類型支架的進行設(shè)計選型和分析評定，應(yīng)用該程序可以顯著降低支吊架設(shè)計、分析和評定所需的時間和難度，并能適應(yīng)各種核電工程設(shè)計分析的需要。
2 程序簡介
管道支吊架設(shè)計及分析計算程序是分析法設(shè)計法，對原有支吊架分析及設(shè)計方法進行改進、提高和優(yōu)化，同時針對不同支架形式開發(fā)了大量的建模和分析評定程序，并將上述分析方法的研究成果應(yīng)用于本程序，從而提高了管道支撐設(shè)計效率、可靠性和經(jīng)濟性，豐富且優(yōu)化管道支撐的設(shè)計方案，在全面考慮支撐所承受的各向載荷的基礎(chǔ)之上做到更合理、更經(jīng)濟地選擇管道支撐。
本程序應(yīng)用的分析方法主要有：
1) 應(yīng)用理論方法推導(dǎo)的部分板殼型支撐的分析計算公式。
2) 應(yīng)用限元分析模型的分析計算方法。
3) 管夾與管道接觸問題的處理。
4) 吊耳與吊環(huán)間接觸范圍及其承載能力的分析計算方法。
為了論證上述方法在支架分析設(shè)計中可應(yīng)用性，采用了理論方法、三維實體模型分析以及結(jié)構(gòu)的塑性極限分析的理論解與有限元方法以論證上述分析評定方法的正確性和有效性。
支吊架的評定依據(jù)ASME規(guī)范NF-2001的有關(guān)要求進行。
3程序的功能
“核工藝管道支吊架設(shè)計及分析計算程序”包含了常用的管道支吊架型式，實現(xiàn)了與有限元分析計算軟件的接口，通過自行開發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的前后處理程序，該程序能夠自動完成對結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的支吊架的有限元建模、分析計算和評定。因此該程序完全能夠滿足各類核電站管道支吊架的設(shè)計分析要求。該程序主要有三個方面的功能：
(一) 完成工程中管道支吊架的設(shè)計選型工作。主要是根據(jù)管道力學(xué)計算得到的支吊架承受的載荷，選擇能滿足支撐所要求的各個方向上的承載能力的相對較經(jīng)濟、合理的支架形式與尺寸規(guī)格。
(二) 對現(xiàn)支吊架庫進行分析驗算與評定；并根據(jù)工程需要對現(xiàn)有支吊架庫中支撐的系列和規(guī)格進行擴充。
(三) 對標(biāo)準(zhǔn)型式、非標(biāo)尺寸的支吊架進行分析計算與規(guī)范評定。
4 程序流程圖
程序分三個步驟實施，即：支撐管部的分析計算與選型、支撐根部的分析計算與選型、支撐連接部件的分析計算與選型。“核工藝管道支吊架設(shè)計程序” 的完整流程見圖4.1所示。
本程序采用VB和FORTRAN語言編寫，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件、通用制圖軟件和有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，可以實現(xiàn)設(shè)計、分析、計算和評定的高度自動化。圖4.2和圖4.3為本程序運行過程中的兩個界面的示例。
5 程序的驗證
對程序進行驗證一般有三種方法：一是利用實驗來與程序計算結(jié)果來比較；二是利用成熟的程序來進行考證；三是按照程序編制的理論和假設(shè)用手工計算來考證程序的可靠性。本程序采用第二種和第三種相結(jié)合的方法進行考驗。即一方面使用本程序進行計算，另一方面利用程序計算理論和其它商用軟件，用人工和程序計算相結(jié)合的辦法得到評定結(jié)果。
針對程序中支吊架的管部、連接部和根部分別進行了考題驗證，驗證了該程序的正確性。
6 結(jié)論
研究開發(fā)的“核工藝管道支吊架設(shè)計及分析計算程序”針對國產(chǎn)材料、型鋼標(biāo)準(zhǔn)及支撐形式，集設(shè)計、分析、計算和評定于一體，并在分析方法、及設(shè)計方法上都有較大改進，同時顯著提高工作效率，實現(xiàn)合理、有效、可靠地完成難度及復(fù)雜程度都較高的非標(biāo)支吊架設(shè)計工作，具有較強的工程實用性。隨著核電工程項目的不斷開展，該程序?qū)⒕哂袕V泛的工程實用價值。
