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题名固液双相纤维增强腰椎间盘的有限元建模仿真研究
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作者
高永昌
付彦涛
崔庆峰
陈世斌
刘鹏
刘西纺
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机构
长安大学工程机械学院公路养护装备国家工程实验室
西安交通大学附属红会医院
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出处
《生物医学工程学杂志》
北大核心
2025年第4期799-807,共9页
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基金
陕西省重点研发计划项目(2023-YBSF-623)
云南省教育厅科学研究基金项目(2024J0020)。
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文摘
腰椎间盘有着复杂的生理结构,各节段间相互影响,且腰椎间盘的组分极为复杂。腰椎间盘中不同组分的材料属性,尤其是含水量(受年龄、退变、负荷及蛋白多糖含量影响而动态变化),会直接影响其力学性能;当腰椎间盘持续承压时,水分渗出,承压结束后水分则重新渗入。这种动态的液体交换过程直接影响着腰椎间盘的力学性能,而以往各向同性的建模方法难以精细反映这种固液相行为。为探究腰椎间盘的承载机制,建立更为真实的腰椎间盘力学模型,本研究构建了固液双相、纤维增强的腰椎间盘有限元模型,以其分别预测人体腰椎日常的前屈、后伸、轴向旋转与侧弯四个维度的运动,对比分析了四个维度运动下不同节段腰椎间盘纤维环与髓核的流体压强、固相等效应力以及液体承压比。在四个维度的运动下,流体压强的分布更靠近髓核,而固相等效应力的分布更集中于外侧纤维环。流体压强方面,侧弯时腰椎间盘最大流体压强为1.95 MPa,显著高于其他维度运动下的最大流体压强;而前屈时腰椎间盘最大固相等效应力为2.43 MPa,显著高于其他维度运动下的最大固相等效应力;总体上,轴向旋转时比其他维度运动下的液体承压比偏小。本研究通过固液双相建模方法,更精确地揭示了腰椎间盘在日常承压过程中液相的主导作用,以及纤维环承载的固相力学机制,更有效地预测了日常生活中腰椎间盘的固液相共同承载机制。
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关键词
腰椎间盘
有限元分析
固液双相
纤维增强
液体承压比
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Keywords
Lumbar intervertebral disc
Finite element analysis
Solid-liquid biphasic
Fiber-reinforced
fluid support ratio
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分类号
R318.01
[医药卫生—生物医学工程]
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题名复杂地层中基于流固耦合的盾构隧道开挖面稳定性研究
被引量：5
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作者
曹校勇
刘永强
孙海东
李铎
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机构
中交第一公路勘察设计研究院有限公司
中交隧道工程局有限公司
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出处
《施工技术（中英文）》
CAS
2022年第21期30-34,共5页
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基金
国家自然科学基金(51878569)。
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文摘
为研究水下隧道泥水盾构开挖面稳定性,依托中宁穿黄隧道工程,选取盾构区间隧道覆土厚度最小、覆土厚度最大、百年一遇洪水情况作为计算工况,采用有限差分软件FLAC 3D进行流固耦合模拟分析,研究不同工况、泥浆支护压力比下地层孔隙水压力、地层竖向应力、地表位移变化规律。研究结果表明,当泥浆支护压力比为1.0时,监测点位置的地层孔隙水压力和开挖面中心上方地表纵向位移更接近原始状态;当泥浆支护压力比为0.9时,监测点位置的地层竖向应力更接近原始状态;不同泥浆支护压力比下,随着距开挖面距离的增大,监测点位置的地层孔隙水压力、竖向应力均逐渐恢复到原始状态;开挖面中心上方地表纵向位移与泥浆支护压力比基本呈线性关系。
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关键词
隧道
泥水盾构
流固耦合
稳定性
支护压力比
数值模拟
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Keywords
tunnel
slurry shield
fluid-solid coupling
stability
support pressure ratio
numerical simulation
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分类号
U45
[建筑科学—桥梁与隧道工程]
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题名考虑流固耦合效应的盾构隧道开挖面稳定性研究
被引量：14
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作者
黄振恩
吴俊
张洋
刘陕南
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机构
上海工程技术大学城市轨道交通学院
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出处
《现代隧道技术》
EI
CSCD
北大核心
2018年第5期61-71,共11页
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文摘
文章采用PLAXIS有限元软件,建立流固耦合条件下盾构隧道开挖面数值计算模型,研究隧道管片安装时间内,流固耦合效应对隧道开挖面稳定性的影响。通过控制变量法,分析流固耦合条件下开挖面不同支护压力比(开挖面支护压力与前方水土压力之比)和不同隧道覆径比(隧道埋深与直径的比值)对隧道开挖面变形及地表沉降的影响规律,并探讨了流固耦合效应下开挖面失稳破坏模式。研究结果表明:(1)在隧道管片安装时间内,开挖面前方土体将在渗流作用下形成土拱效应,从而使开挖面支护压力比小于1。而未考虑流固耦合效应时,需要较大极限支护压力值才能保持隧道开挖面前方土体的稳定;(2)当考虑流固耦合效应时,隧道覆径比对开挖面稳定性影响有限,但对地表沉降有较大影响,且覆径比越大,地表沉降变大且影响范围较广;(3)在隧道管片安装时间内,开挖面前方虽在渗流影响下具有土拱效应,但随着支护压力减少及开挖面上部渗流场的共同作用,使得开挖面前方土拱效应减弱,继而使隧道开挖面上方与前方土体连通形成楔形土体滑动区。相比未考虑流固耦合的情况,其楔形体趋向于开口较大的漏斗状破坏形式。故在隧道施工过程中,应考虑流固耦合效应对开挖面变形及地表沉降的影响。
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关键词
盾构隧道
流固耦合
数值模拟
隧道开挖面稳定性
支护压力比
覆径比
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Keywords
Shield tunnel
fluid-solid coupling analysis
Stability of tunnel excavation face
support pressure ratio
Depth/diameter ratio
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分类号
U451
[建筑科学—桥梁与隧道工程]
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