固体力学研究方向范文第1篇

关键词：纤维增强复合材料；加固技术；结构

Abstract: fiber reinforced polymer (FRP) in the basic engineering facilities used widely. International and domestic research hot spot and is the reinforcement of the technology. Mainly includes the following aspects of strengthening: HRRP, masonry structure, CFRP of concrete structures with CFRP, steel composite technology research summary.

Keywords: fiber reinforced materials; Strengthening technology; structure

中图分类号：TB33文献标识码： A 文章编号：

一、FRP加固技术简介及发展概况

为了增强部件承载力，把FRP用胶粘贴在外部，以对结构进行加固。它具有无可比拟的优势；方便、高效、耐腐蚀、占用空间少、高强、操作性强、抗疲劳等，是难得的优良材料。

日本在20世纪80年代率先发起对于 FRP加固的研究。紧接着，在欧美部分国家和地区，高等院校、科研单位、相关厂家等进行了纤维用于加固的类似研究。尤其是FRP在钢筋混凝土方面进行加固已经成为日本、美国等发达国家的先进成熟技术。

我国对FRP加固技术的研究始于八十年代末期，尤其是华南李国光大学教授黄培彦在1997年主持的纤维与混凝土之间关系的加固方法研究。奠定了重要基础。2000年召开的首届FRP混凝土结构学术经验交流会，起到了良好的理论指导作用。随后我国各大学、科研机构等也进行大量研究，取得了重大成果，并得到应用。总的说来，我国在FRP加固技术的研究及其运用成为了工程界方兴未艾的重要课题，但在其制度规范的制定方面还比较落后。

二、混杂纤维材料加固技术

HFRP始于20世纪70年代，是一种新型复合材料。它广泛应用于汽车、船舶和飞机等制造工业。近些来，才有关于它用于混凝土加固方面的技术研究报道。它具有独特的优势：综合性能强，抗冲击强度高，价格低廉，自由度大，弹性强等。

CFRP与普通玻璃纤维这样的混杂纤维材料在加固混凝土梁柱的试验中取得了重大进步。凶光镜等人率先提出CFRP和GFRP混合对钢筋混凝土的梁柱进行加固方法。蒋小青等提出了无纬单向CFRP和L型有纬单向GFRP粘贴梁底梁侧的加固方案。近年来，又提出了对柱的加固，采用预制FRP原形套筒加固的新方法。

代表性纤维轴向力学性能参数与钢、铝的比较图表

高强玻璃和碳纤维混杂材料加固技术的实验研究也迈出了重大步伐。熊光晶和蒋小青等加强了对高强玻璃和CFRP层次之间混杂加固的混凝土梁的试验研究。并提出了将高强玻璃和CFRP纤维混杂，预制成套筒，并对混凝土方柱改圆截面进行加固的新方法。

FRP加固砌体结构研究应用

这是一项新技术，主要有利用率高、方便快捷、效果显著、耐久性、体积占用少等。对砌体结构加固进行研究应用是近些年来的重要趋势。国外此技术在建筑上的应用已取得了良好效果。而国内在这方面处于起步阶段。只有少数大学或单位在进行类似研究，而且理论和应用都不够成熟。

近十多年来，对FRP加固砌体结构进行抗剪性研究在不停地展开。比如1997年的Ehsani等系统性抗剪性试验。2002年Corradi等对地震中损伤的石砌体进行的抗剪性加固试验。后来的蔡志鸿和黄奕辉等人对芳纶纤维布砖砌墙体和砖砌体双剪试件加固进行了理论和试验研究。

同样在抗震性研究中，赵彤等人在低周重复荷载下对其进行了受力性能试验。王欣等人也在同样的条件下对破坏墙体进行了试验。Schwegler首次对混凝土砌块墙体进行了抗震性研究。彭少明和卢会芳等对低强度有无构造柱下带窗或带侧门洞墙片进行抗震性试验。

Ehsani等对砖砌体平面进行了外抗弯性能的研究试验。2001年Michael等用CFRP和GFRP分别对砌块墙体进行了平面外抗弯试验。他根据加固试验结果，提出了抗弯承载力公式计算。

预制CFRP加固技术

尽管对结构表面直接粘贴CFRP材料对结构最大载荷有明显的提高作用。但由于其应变的滞后，对开裂或屈服荷载并没有较大提高，甚至还限制了它的发挥。因此，预应力加固方法显得尤为实际与及时。

尚守平、叶列平等对预应力与非预应力加固梁进行了试验研究。结果其各方面的荷载幅度提高很大。并可以极大改善裂缝。Y.Piyong等对混凝土板进行加固，结构抗弯性大幅度提高，其混凝土工作性能也大大改善。同时也对梁进行了疲劳性研究，结果也取得了积极成效。

CFRP加固混凝土梁中的比较图

在对预应力FRP加固混凝土结构的研究下，又仔细地对预应力控制值、端部的锚固问题及其预应力损失进行了研究。比如1991年Triatafillou和Deskovic提出的最大预应力水平分析模型，可以帮组预测其最大水平，保证预应力在端部锚固处释放时不会破坏。结果试验与分析相符。Merier发现，如果没有端部锚固，其FRP布在一定抗拉强度时，早就发生了破坏。

产生预应力损失因素与设备变形、层间摩擦、压缩变形及徐变、松弛及蠕变、预应力释放引起的损失有关。

CFRP与钢板复合加固混凝土结构技术

用CFRP提高对钢筋混凝土柱的约束，其承载力是很限的。但可以扩大其延展性，约束其横向变形。但用这加固混凝土的方式，可以有效发挥两者的材料优势，弥补单一方法不足，形成一种性能更加强大的组合，从而达到提高承载力，有提升延展性，满足特殊工程需要。

用粘贴CFRP和外部包围角钢来提升承载力。就可以提高利用效率，柱的复合加固，先在表部粘贴，后在角部贴角钢，连接横向缀板。分别进行复合加固中短柱轴压加固试验，可以有效提高承载力。充分发挥约束作用。实现强度充分应用。

也在对斜截面受力性能和抗震性能进行大量试验，对复合加固试件的抗剪性和对复合加固混凝土柱的抗震性试验，可以有效地提高其承载力，提升其延展性。积极发挥预测作用，提升抵抗能力具有显著效用。

结束语

本文对FRP这一高性能材料材料的特点及其在砌体结构、混凝土结构、HRRP等方面的研究发展情况进行了比较系统的总结，应用情况初步研究。总所周知，发达国家在工程领域对该材料的研究、开发与应用已经到了新阶段。近年来，我国对该领域的研究和应用工作发展也比较迅速，结构加固占据着重要地位，但其它方面相对落后，因此，增加对这方面的认识，提高对这方面的研究及其应用，积极奠定这方面的人才基础与队伍建设，从而提升我国基础工程设施与建设的水平。

参考文献：

固体力学研究方向范文第2篇

【摘要】随着岩体工程特别是地下岩体工程规模、数量的不断增大增多,人类对岩体工程的认识从岩体支撑概念发展到岩体加固概念。岩体加固方法多种多样,不同类型的加固方法,有不同的作用。

【关键词】岩体加固技术发展岩体加固理论岩体加固技术研究方向

1 目前岩体加固技术发展综述。

由于经受过复杂的地质构造运动，岩体内普遍存在着未受工程扰动的天然应力场,又称作初始应力场,它是引起采矿、水利水电、铁道、军事和其它各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏根本作用力。在一般情况下，岩体处于自我平衡状态，当受到工程扰动如开挖、爆破等影响时,岩体的初始应力平衡状态将被破坏，并产生局部应力集中，引起岩体的变形和位移,通常会造成岩体工程如洞室、边坡等的失稳破坏，其后果可能给工程造成巨大的经济损失。因此，开展岩体加固技术研究具有十分重要的工程意义。

所谓的岩体加固概念，就是不等岩体破坏就主动地对岩体采取措施，进行加固，不让它发生危及工程安全的失稳破坏。岩体加固方法多种多样,如喷混凝土、普通锚杆、系统锚杆、预应力锚索、锚硐、锚桩等,不同类型的加固方法,有不同的作用。喷锚支护技术和预应力锚索技术便是采用岩体加固概念发展起来的岩体加固新技术。喷混凝土和挂网喷混凝土能保护岩体表面,尤其能有效保护较弱岩土的开挖表面,防止岩体表面的剥蚀及细小块体的塌落;普通锚杆和系统锚杆能有效加固表层岩体。

1.1 喷锚支护技术

锚杆由于其节约投资、施工方便、安全可靠等优点，正越来越多地应用于边坡和深基坑的加固工程中。针对锚杆加固的岩体边坡在坡坏面上具有粘聚力的情况，基于塑性极限平衡理论，在提出新的能量安全系数并分析其合理取值的基础上，把锚杆对边坡的加固约束转化为对岩体内力消散功率的补充，进而探讨了锚杆加固岩体边坡能量安全系数设计的新方法。该方法概念明确，计算简单，便于工程设计应用。

对锚杆加固面滑动岩体边坡工程，可以把锚杆对岩体边坡的加固约束转化为对土体内力消散功率的补充，来等效岩体c值的增加引起的内力消散功率的增量部分，只要将能量安全系数取适当的值，则可说锚杆加固的岩体边坡是稳定的。在实际观测中，顺层滑动的滑体一般都不是整个楔体。这说明当滑面上楔体滑动时，靠近滑体的后部会产生张应力，使滑体后缘产生许多张裂缝。

岩体经系统锚杆加固后，其力学性质得到改善，弹性模量增加，泊松比减小。锚固后，对试块竖直方向的变形影响不大，但是约束了岩体水平方向的变形，从而提高了岩体的抗剪强度.随着锚杆布设密度增大，锚固岩体的等效弹性模量基本呈线性增加，但是,锚固效果与岩体本身的强度有关，强度较低的岩体锚固效果要比强度较高的岩体锚固效果明显。

1.2 预应力锚索技术：

在岩土高边坡方面,特别是对陡高边坡的整治和加固处理,采用锚索十分有利。预应力锚索成为岩体加固的一种有效的加固方法,得到了较为广泛的应用。

预应力锚索的研究与应用已取得了较大进展。预应力锚索种类逐渐增多,但是各种预应力锚索对岩体的作用机理尚缺乏深入研究。预应力锚索的作用机理,目前实际是根据锚索的不同施工工艺和锚索组成等来研究锚索与岩体的力学相互作用规律，例如,根据锚索的粘结状态,可分为自由式和粘结式两种。自由式无粘结预应力锚索和粘结式有粘结预应力锚索的作用机理不同。无粘结预应力锚索主要是通过预应力锚索的两端对岩体施加预加应力。而有粘结预应力锚索则是通过锚索与岩体的粘结力来传递预应力的。

又如预应力锚索的作用机理的一个重要因素―――预应力损失问题,它直接影响预应力锚索的效果,这是大家普遍关心的问题,而影响预应力损失的因素很多,主要是岩体的蠕变和锚索的蠕变。锚索的蠕变又与锚索材料的性能、锚具性能、内锚固段长度和形式、固结材料性能、荷载等级、施工操作方法等有关,而岩体的蠕变则是一个十分复杂的问题,岩体的蠕变包括岩石和结构面的蠕变,并与岩体的受荷状态十分密切。这种受荷状态是指岩体处于受拉或受压应力状态,不同的受荷状态下的岩体,其岩石和结构面的蠕变不同。

2 针对性岩体加固理论

a常规岩体加固

目前，国内外普遍使用的岩体加固钻孔方位和角度，主要有以下2种：

2.1 防渗帷幕钻孑L。主要用“对分法”，按孑L口等距离布置钻孔，钻孔方向垂直。(2)坝基固结灌浆钻孔。主要为垂直方向，隧洞固结灌浆钻孑L主要与基岩开挖面垂直。

b针对性岩体加固

针对性岩体加固主要原则就是要在被加固岩体内，确定能穿过最多缺陷面(带)的加固钻孔方位和倾角。针对性岩体加固的目的就是使钻孔穿过更多的缺陷面，在节约投资的同时，取得更好的加固效果

3 对岩体加固技术研究方向的展望

岩体加固技术研究今后会朝以下几个方面努力。

a岩体加固计算的合理力学模型研究

大量的工程实践已经证明预应力锚索对控制洞室围岩的变形破坏具有很强的作用，而数值计算结果一般却反映不出锚索应有的作用。究其原因,不是数值计算结果不正确，而是现阶段数值计算中所采用的岩体加固计算模型不能真实反映出锚索与围岩的相互作用关系。因此，开展岩体加固计算的合理力学模型研究具有十分重要的工程意义和理论价值。

b岩体深层注浆技术研究

c新型锚固与注浆材料的研究

目前的锚杆、锚索材料多是用钢材制作的,既笨重，又存在长期腐蚀性问题;现有的注浆材料多是用纯水泥浆或水泥砂浆，收缩性大,流动性也较差。因而要提高岩体加固质量就需要研究性能更好、重量更轻、强度更高的锚索、锚杆材料和流动性更好、粘结强度更高的注浆材料。

d岩体受力变形监测技术研究

岩体介质的复杂性决定了要掌握岩体工程的实际受力变形状态,最好的办法就是直接量测，直接测出岩体内和洞壁上的受力变形状态。这种办法不仅直接、可靠，而且它不需要了解岩体的结构构造，因为在测试结果中已自然地包含了岩体结构构造的影响。现在的问题是我们如何利用高科技手段使现场测试技术实现自动化、智能化、可视化，甚至坐在办公室内就可随时监测岩体工程重点部位的受力变形状态。因此，利用高科技手段实现监测技术的现代化、智能化来解决岩体工程的受力变形状态问题，从加固领域最有前途、最值得重视的研究方向。而为岩体加固设计提供及时可靠的数据，应是岩体加固领域最有前途、最值得重视的研究方向。

参考文献

[1]吴德海，曾祥勇，邓安福，唐树名单锚锚杆加固碎裂结构岩体模型试验研究地下空间第23卷第2期2003年6月

[2]顾金才陈安敏岩体加固技术研究之展望隧道建设第24卷第1期2004年2月

[3]邓华锋李建林王乐华系统锚杆对边坡岩体加固效果的数值模型试验研究Journal of Engineering Geology工程地质学报1004-9665/2006/14(05)20644205

固体力学研究方向范文第3篇

关键词：凝聚态物理；研究方向；成就

中图分类号：O469 文献标识码：A

一、凝聚态物理的重要性

凝聚态物理主要从两个方面体现其重要性：一方面体现为与相邻学科（如粒子物理学）之间在概念、方法、技术等方面的渗透，促进材料科学、能源科学、环境科学等交叉学科的发展，并日益显现出其强大的发展潜力。另一方面为研发和制备新型材料提供了强有力的理论数据和实验支持，同时也为开发和拓展新领域提供了极具实用性的科学理论依据。

二、凝聚态物理的主要研究方向

随着交叉学科的发展和技术需求的提高，凝聚物理的研究范围更加广阔，技术要求更加精密。凝聚态物理的主要研究方向有以下几种。

1.软物质物理学

软物质概念于1991年提出，也称为复杂液体。软物质一般是由大分子或基团组成的，介于固体和液体之间的物相。一些常的物质，如液晶、胶体、膜，生命体系物质诸如蛋白质、DNA、细胞等，都属于软物质。和由内能驱动的硬物质不同，软物质的组织结构变化主要由熵驱动，变化过程中内能的变化很微小。

2.宏观量子态

宏观量子态是指用量子力学来描述宏观体系的状态，如超导中的电子库珀对。宏观量子态具有典型的量子力学性质，当前宏观量子态领域研究的重点为耗散现象和退相干现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是指介于宏观和微观之间的体系。介观物理学所研究的物质大小与纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一研究方向也常称之为“介观物质和纳米科技”。

4.固体电子论中的关联区

凝聚态物理的前身――固体物理学研究的核心问题，就是固体中的电子行为。固体中的电子行为可根据电子间相互作用的大小分为三个区域，分别是强关联区、中等关联区和弱关联区。现今研究固体电子论的大部分学者研究方向都是强关联系统。

三、凝聚态物理的主要研究现象及其理论依据

目前凝聚态物理的主要研究现象有超导、光谱、弱相互作用、磁性研究（微磁学、铁磁学、相图、磁阻、巨磁阻抗效应等）、多向异性、子晶格、态密度、能隙、强关联、激发态、量子通信、冷原子、霍尔效应等。

凝聚态物理所用的理论依据主要源于相变与临界现象的理论，成熟完备的量子力学则是其坚定可靠的理论基石，在这两种理论之下，凝聚态物理根植于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理的前身――固体物理学中的一个重要理论依据是能带理论。目前来说一些常用的理论方法有很多，比如蒙特・卡洛方法、波尔茨曼模型、分子动力学模拟、伊辛模型、有效场、平均场，等等。

四、目前凝聚态物理研究取得的一些成就

太阳能电池和纳米器件是凝聚态物理研究在器件方面取得的较为突出的两类成就。而在材料方面，凝聚态物理的研究成果则更为明显，比如超导体、拓扑绝缘材料、纳米材料、电子陶瓷材料、复合热电材料、自旋液体、薄膜材料、碳材料（碳化C薄膜，石墨烯，石墨炔等），等等。还有很多根据凝聚态物理的特性制备出来的极具效用的成果，比如利用粒子的隧道效应制备的隧道结夹层结构，利用量子点制备单电子晶体管和微腔激光器，利用磁铁和非磁金属制备磁量子阱，等等。当然，凝聚态物理方面取得的成就远不止这些，还有很多相当具有发展潜力的成就和研究成果值得我们去深入研究和发掘。

基础科学一直以来是科学技术发展的基础和推手。凝聚态物理作为一门基础学科，诠释客观物质世界存在的现象和规律，也为人们预测和创造新的事物提供理论依据和操作指导。

参考文献：

固体力学研究方向范文第4篇

方法 使用三维有限元方法，建立Tile C型骨盆损伤（右侧骶骨纵行骨折）模型，模拟使用3种骶髂螺钉固定方式进行固定，并在模拟站立位状态下对骨盆后环的竖直稳定性和后旋稳定性进行量化和比较。

结果 S1、S2双层面2枚骶髂螺钉固定组合的稳定性明显优于S1或S2的单层面1枚骶髂螺钉；在S2层面1枚骶髂螺钉固定的稳定性优于S1层面。

结论 针对Tile C型骨盆损伤的单侧骶骨纵行骨折，要尽可能选择双层面骶髂螺钉固定；如果使用单层面单枚骶髂螺钉固定治疗该类骶骨骨折，最好选择S2层面。

【关键词】骨盆；骶骨骨折；骶髂螺钉；稳定性；三维有限元

Comparison of stability of sacroiliac screws in the treatment for unilateral Tile C sacral fractures between different modalities in a 3dimensional finite element model ZHAO Yong， ZHANG Shudong， SUN Tao， WANG Dan， LIAN Wei，LIU Yonghou，TAN Jiangwei，ZOU Dexin.Department of Orthopaedics， Yantaishan Hospital， Yantai 264008，China

Corresponding author：ZHAO Yong，Email：

【Abstract】Objective To study the stability of sacroiliac screws fixation for the treatment of unilateral vertical sacral fractures in order to provide pratical manipulation and reference for rapid insertion of sacroiliac screws in case of emergency. Methods A 3dimensional finite element model of Tile C pelvic ring injury （unilateral type DenisⅡfracture of sacrum）was made in a 36 year of a female patient. The unilateral sacral fractures were fixed in 3 types with sacroiliac screws in models respectively. The shift and angle displacement of the central superior surface of sacrum in the case of upright standing on both feet were measured and compared. Results The stability fixation with two sacroiliac screws for double planes of S1 and S2 segments was markedly superior to fixation with one sacroiliac screw for single plane of S1 or S2 segment； The vertical and rotational stability of sacroiliac screw fixation in S2 was superior to that in S1. Conclusions Fixation with two sacroiliac screws for double planes of S1 and S2 segments should be utilized for the fixation in unilateral sacral fractures of Tile C pelvic ring injury as possible. If only one sacroiliac screw is implanted， the fixation in S2 segment is more recommended than that in S1.

【Key words】Pelvis； Sacral fracture； Sacroiliac screw； Stability； 3dimensional finite element

高能量骨盆创伤是常见的急诊重症[1]，其中Tile C型的不稳定性骨盆骨折更是必须急诊进行早期固定，从而有利于骨折复位并有效减少骨盆容积，压迫骨折端阻止静脉出血，尽快稳定血流动力学，降低病死率。虽然以Ganz钳和前环外固定架为代表的外固定器操作相对简便、快速，但其固定效果不确切，不便于护理也无法满足患者进行早期功能锻炼，故无法达到骨折的最终复位内固定的效果。然而，对骨盆骨折所合并的重要脏器损伤进行处置的同时往往也延误了骨盆骨折的最终复位内固定，因而在患者生命得以保全的同时错过了最佳的内固定手术时机，从而遗留畸形愈合、下腰痛、跛行等不可逆的骨盆骨折合并症。因此，尽快尽早微创地实施骨盆损伤的内固定治疗具有重大的临床意义。Osterhoff等[2]报道其对刚入院的部分骨盆损伤病例快速进行了骨盆后环的骶髂螺钉固定，并取得了满意的临床疗效。这为急诊一期完成骨盆后环乃至整个骨盆环的稳定性重建提供了可能。如何在现有器械条件、操作技术的基础上充分利用骶髂螺钉，在紧急恢复骨盆容量和减少出血的同时将螺钉固定的生物力学优势最大化，避免内固定失效，便显得颇具意义。基于此，本文以临床多见的单侧骶骨纵行骨折（Tile C型）作为研究对象，应用三维有限元技术对骶髂螺钉固定该类损伤进行研究及生物力学比较，以期找到骶髂螺钉的最佳固定方式，从而预置急诊手术方案，最大限度地缩短术前计划所用时间，并为急诊临床实践的规范化提供参考。

1 资料与方法

模拟Tile C型骨盆骨折，针对不稳定性骨盆后环损伤（右侧骶骨纵行骨折）模型使用骶髂螺钉或其组合（共3种）进行固定，并对后环螺钉复合体的平移和旋转稳定性作出比较。

1.1 一般资料

对一例健康成年女性（36岁）进行X线、B超等检查，排除骨盆损伤、肿瘤、畸形，采用64层螺旋CT（Philips， Netherlands）对其骨盆进行扫描，层厚1 mm，所得DICOM （Digital Imging and Communication in Medicine）数据资料通过工作站刻录光盘。

1.2 三维有限元模型的建立

将CT图像导入Mimics 10.1 （Materialise， Belgium）中，根据图像数据中各种组织的灰度值差异及相关解剖学特征，通过阈值化操作等提取髂骨及骶骨的几何结构，并重建精确的骨盆 3D 表面体模型，并以STL文件格式输出。然后将STL文件格式的骨盆模型导入逆向工程软件Rapidform Xor3 （INUS Inc， Korea）中去除掉噪点，生成无接缝的骨性结构的几何模型。应用骶骨与髂骨之间的区域建立骶髂关节软骨的实体模型，以两侧耻骨间空间填充生成耻骨联合间盘。最后，一并以iges格式导入有限元软件ABAQUS 6.9.1 （SIMULIA Inc， US），并对骶骨与髂骨采用四面体单元进行网格划分，用以代表松质骨，对骶髂关节及耻骨联合采用六面体网格划分。因骨盆皮质的厚度（1～2 mm）相对骨盆的几何尺寸较小，所以在松质骨表面生成一层壳单元用以模型皮质。韧带在维持骨盆的稳定性方面起着重要作用，本研究中采用弹性连接单元模拟韧带，其附着点根据解剖学定位。本研究所涉及的参数[3-8] 如表1表2所示，生成骨盆模型如图1所示。

模拟骶髂螺钉固定的手术方式，在S1、S2两个层面进行固定。两种螺钉均系直径为7.3 mm的空心钉。将经过正常骨盆模型的骶骨右侧骶孔的面定义为骨折面。（模拟DenisⅡ型右侧骶骨骨折）将螺钉分别与骶骨、髂骨、骶髂关节软骨进行布尔运算，生成骨折固定模型。

模拟固定方式如下：①右侧1枚骶髂螺钉对S1进行固定 （S1）、②右侧1枚骶髂螺钉对S2进行固定 （S2）、③S1和S2各1枚骶髂螺钉自右侧进行固定 （S12） 。示意图见图2。

1.3 三维有限元模型的约束与加载

本研究中，将骶骨和髂骨分别与骶髂关节以及双侧耻骨与耻骨联合之间采用绑定约束。在双侧髋关节面与旋转中心耦合，并将中心点的3个方向的平移自由度约束。将耻骨联合与骶骨下缘置于同一水平面上，自骶骨上表面竖直向下加载600 N力载荷，模型站立位的人体体质量加载于骶骨的状态。螺钉的远端和近端分别与骨组织采用绑定连接以模拟完全的骨整合状态，螺钉的光滑杆部分与骨组织之间设定为可滑动磨擦关系。

2 结果

本实验所建立的正常骨盆有限元模型的应力分布特征与文献[9-11]报道相一致，而且应力值范围与文献[4，12]研究结果相近，由此表明本研究中的模型能够有效而可靠地反映骨盆的生物力学特性。

本研究结果显示，双层面2枚骶髂螺钉固定组合的稳定性明显优于单层面1枚骶髂螺钉（即S12明显优于S1、S2）。在竖直稳定性和后旋稳定性方面，S2均优于S1。见表3。

3 讨论

骶髂螺钉是骨盆后环损伤的治疗领域的重大进步，并已经成为不稳定型骨盆后环损伤最终固定的常用微创技术[13]，相比髓外固定，骶髂螺钉固定具有明显的生物力学优势[14]，但多个临床报道显示，骶髂螺钉并不都能达到稳定的固定。Keating等[15]使用骶髂螺钉技术获得了84%的解剖复位或近解剖复位率，但是最终随访发现畸形愈合率高达44%。Griffin等[16]认为，对于纵形骶骨骨折，骶髂螺钉固定更易出现固定失效和复位丢失。因此，如何根据具体伤情、因时因地制宜地快速选择有效的固定方式，最大限度地发挥骶髂螺钉的生物力学优势，降低固定失败率，这对于包括急诊救治在内的骨盆外伤的相应处置就显得尤为重要。

Tile C 型骨盆损伤的前环后环都严重失稳，所以前后两环均需固定，由于后环稳定性占骨盆稳定性的60%，加之骨盆复位固定的顺序为先后环再前环（这是复位能够成功的必要条件），因此后环稳定性的快速重建便显得尤为重要，而骶髂螺钉技术恰好顺应这一临床需求，可经皮透视下微创置入，在不加重原始损伤的同时为急诊一期稳定后环提供了可能，进而急诊完成的后环固定为全身情况改善后二期前环的复位固定又创造了条件。S1S2构成了骶髂关节的基础，伴随骶髂螺钉置入技术的成熟，希望对不同层面骶髂螺钉及其组合的稳定性进行比较研究，以期最省时地确定最佳急诊治疗策略。

需要指出的是，首先，虽然Tile C型骨盆损伤涉及前环不稳且需固定，但鉴于固定方式具有多样性，加之前环的稳定性势必影响后环的稳定性，因此本研究并没有对前环损伤及固定进行模拟，而是保留了正常骨盆的前环状态，虽然这样得出的有关后环稳定性的相关数值均较小，但并不影响针对后环稳定性的多模型间的比较性研究；第二，本研究模拟切除所有肌肉但保留骨盆重要韧带结构的骨盆，从而在最大限度模拟正常骨盆稳定性的前提下，排除不可预见的由肌肉收缩带来的应力，避免影响测量的准确性[17]；第三，本研究所模拟的骨折线系一经过骶孔的直线，这样既便于模型的标准化而利于比较，又能避免因骨折线的不规则而影响网格划分及后续计算的准确性；第四，本研究规定正位观耻骨联合的上缘与骶骨下缘处同一水平面，较为准确地模拟了双足站立的生理实际。

本研究发现，固定状态下的正常完整的骨盆所产生的平移方向主要为受力方向。这与实体研究结果一致[17]。笔者发现，骨盆后环竖直方向的加载导致了其自上而下方向的平移（下移），且下移的主体是位于骶骨骨折线的内侧部分，同时伴随该下移主于矢状面上的向后旋转（后旋），而该主体在前后方向和内外方向的移位几乎为零。因此，通过对3种后环螺钉复合体的竖直稳定性和后旋稳定性的比较可以反映出各种内固定方式的牢固程度。本研究结果显示，双层面2枚骶髂螺钉固定组合的稳定性明显优于单层面1枚骶髂螺钉，这与Yinger等[14]和van Zwienen等[17]的研究结论相似，提示在临床实际工作中针对单侧骶骨骨折要尽可能选择双层面骶髂螺钉（S12）固定。

需要指出的是，本实验结果显示，在S2层面进行固定的竖直稳定性和后旋稳定性均要优于S1层面。因此，笔者建议，如果使用单层面骶髂螺钉固定方式治疗单侧骶骨纵行骨折，最好选择S2层面。笔者所进行的放射解剖学研究显示，正常状态下骶骨的S2螺钉隧道比S1的短，S2的安全置钉空间也比S1小[18]。然而，S2层面的骨性结构呈水平走行，该层面更适合水平置入螺钉，这恰与加长骶髂螺钉的走行是一致的，也恰恰适合Tile C 型的骶骨纵行骨折[19]。而且，在骶骨伴有先天畸形时，骶髂螺钉也更加适合在具有安全置钉空间优势的S2层面上进行固定[20-21]。因此，在Tile C 型骶骨骨折的治疗中S2层面扮演了不可替代的重要角色。

本研究发现，完整骨盆骶骨中部的下移和后旋均明显小于损伤并予固定的骨盆，本研究中任何一种后环螺钉复合体的稳定性都不及正常完整骨盆。因此，笔者认为，即便使用最牢固的固定方式也要尽量避免患部过早承重，从而最大限度地避免因内固定失效而导致的复位丢失。

应该看到，工业器具的结构相对简单规则，而人体结构和生物力学材料特性却复杂得多。因此起源于工业设计领域的有限元软件对复杂结构的建模不可避免地存在简化现象。所以尽管本研究的模型设计和建立能够满足比较性研究的需要，但笔者仍然希望随着有限元相关技术的发展，其仿真程度会变得更高。同时，笔者希冀将来能通过基于新鲜尸体的实体测量研究对本计算生物力学研究进行有效的补充，从而更加有利于解释和指导临床实践，这也同样有益于有限元实验方法的不断完善。

参考文献

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固体力学研究方向范文第5篇

【摘要】椎弓根是椎体的最坚强部分，但由于上胸椎椎弓根狭细，在采用椎弓根螺钉内固定时有伤及邻近重要结构的风险[1]，故上胸椎应用椎弓根螺钉固定术受到了限制。2003年Husded等[2]提出了经肋单元（即椎弓根―肋头关节―椎体）途径置钉的新方法，并在临床上取得了成功，为上胸椎后路螺钉内固定术提供了新思路。

【关键词】胸椎椎弓根螺钉

1胸椎椎弓根的应用解剖

1.1胸椎椎弓根螺钉的进钉点

胸椎手术成功的关键在于找好准确的进钉点，熊传芝等[3]指出,椎弓根较大的变异性是不良置钉率居高不下最重要的原因之一。吴超等[4]认为椎板外缘及上缘对椎弓根的定位有重要的解剖学价值。史亚民等[5]测得螺钉进钉点T9与T12位于横突根部中点,T10位于横突根部上缘,T11位于横突根部中上1/3点。殷渠东等[6]发现下胸椎进钉点的水平线应在横突上部、而腰椎在横突中上部。

1.2胸椎椎弓根螺钉的进钉方向、椎弓根螺钉长度、直径和生物力学的关系

螺钉的置入方向对其固定强度存在一定影响。Louis[10]认为在上胸椎有15-20°的内斜角,中下段胸椎螺钉直向前。根据Ebraheim[11]的数据,T1-2为30-40°,T3-11为20-25°,T12为10°左右。研究表明,在5-30°的范围内,随着内聚角的增加,椎弓根螺钉的把持力也增大。等研究表明，与短螺钉相比，长螺钉在体内承受的弯曲力矩增加16%，同时平行植入与7°成角植入其弯曲刚度两者相差25%，螺钉植入的倾斜更符合力学原则。螺钉的长度与把持力有很大关系，有人主张螺钉长度尽可能达到椎体前缘皮质。

1.3孔道准备及孔道失败后的救措施

钉道准备：螺道过深过大，均能减小骨质对螺钉的“握力”。对于安装螺钉前孔道是否需要攻丝缺乏研究，Zindrick同时发现攻丝对拔出力量无影响。运用打入螺钉和拧入螺钉比较，发现无显著差别。对于固定失效后的孔道准备，Pfeifer在研究修复材料时采用碎骨片、火柴棒骨质、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别填充失效的椎弓根孔道后再用螺钉固定，比较后发现拔出力依次可获得失效前的70%、56%和149%，所以对于失效的孔道再次固定可以采用PMMA。所以对于失效的孔道再次固定可以采用PMMA等有效的修复材料填充后再次固定。

1.4螺钉螺纹对生物力学的影响

内锥螺纹钉与外锥螺纹钉的设计有许多相似之处,均克服了松质骨螺钉中应力集中点,使断钉的发生率明显降低。本实验中在克服拔钉的过程中,外锥螺纹钉优于内锥螺纹钉。有报道70%为最佳的螺钉与椎弓根面积比,并且当面积比大于90%时拔出力增加不明显,却易发生爆裂骨折。

1.5螺钉的几何形态、螺钉的材料

kwok等对相似大小的圆锥体形螺钉和圆柱形螺钉进行对比研究，发现二者的拔出强度无明显差别，圆锥形螺钉能明显增加螺钉的置入扭矩，但圆柱形螺钉的置入扭矩与拔出强度无明显相关性。结果表明钛合金比不锈钢螺钉具有较高的扭矩和扭转刚度；螺钉拔出和松动是横向负荷和轴向拔出力综合作用的结果。

1.6胸椎椎弓根螺钉技术存在的不足

在胸椎可采用“椎弓根―肋骨”单元（Pedicle-ribunit,以下简称PRU）螺钉的固定方法，较置入椎弓根螺钉安全。Misenhimer等的研究结果也表明,椎弓根钉占据椎弓根横径的80%就会发生椎弓根膨胀、变形或骨折。因此,在横径

2胸椎肋横突结合区螺钉的进钉点及进钉方向

国外学者对肋横突结合区进钉方法进行了研究。他们设计的方法进钉点均在横突末端或者肋横关节上，螺钉末端外偏角度较大，这就使术者在术中操作器械很困难，术者不论是采取钢板连接还是采取固定棒连接，都不能保证螺钉和固定棒或固定钢板之间的良好接触，这样就会增加螺钉折断的机会。孙建民等以尾倾0-10°进钉，置入24枚PRU螺钉全部成功。椎弓根外置钉技术采用的螺钉直径大小取决于椎弓根的高度和PRU的宽度。

3肋横突结合区进钉的不足

肋椎关节为球窝关节,有一定的活动性,临床上有肋椎关节退变造成胸背痛的报道,经肋椎关节固定是否也会造成上述症状,仍需观察。相信在不远的将来，随着对胸椎椎弓根-肋单元横突结合区置钉技术的安全性评价及生物力学研究的进一步深入，在工程师、解剖学家和临床医师的共同努力下，胸椎椎弓根-肋单元横突结合区置钉技术会成为越来越成熟且有效的手术方法，会有越来越多的患者从中受益。

参考文献

[1]DvorakM,MacdonaldS,GurrK,etal.Ananatomic,radiographic,andbiomechanicalasse-ssmentofextrapedicularscrewfixationinthethoracicspine[J].Spine,1993,18:1689-1694