流体静力学方程的应用篇1

一、电动势的分类

电动势按照产生机理可分为化学电动势、电磁感应电动势、温差电动势。

1．化学电动势。由于化学作用产生的电动势叫化学电动势。提供化学电动势的装置称为化学电池，简称电池。在一个简单的闭合电路里，由于电动势驱动自由电荷做定向移动，使电路中有了电流，电流通过导体产生焦耳热，这种热量逐渐消耗电池中的化学能。

2.由于电磁感应作用所产生的电动势，简称感应电动势。法拉第的电磁感应定律表明，当闭合电路中的磁通量发生变化时，闭合电路中就有了感应电流产生。此时产生感应电流的电动势称为感应电动势。

3.温差电动势 ，在半导体材料中，由于存在温度差，使闭合电路中出现电流。若电路不闭合，则只有电动势而无电流，此时的电动势称为温差电动势。

二、电动势的物理意义

电动势是一个表征电源特性的物理量，与其他物理量无关，只与电源本身有关。由于不同电源把其他形式的能转化为电能的本领不同，那个电源转换的本领大，则其电动势大，反之则小。既然是能的转化，则肯定有力做功，这个力是谁呢?这个力就是非静电力。非静电力是指除静电力外能对电荷流动起作用的力。不少学生在处理这个问题时总认为：除了静电力之外的力就是非静电力，其实不然，非静电力并非泛指静电力外的一切作用力。非静电力有不同的来源。在化学电池中，非静电力是一种化学间的作用；在温差电源中，非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用；发电机中，非静电力是磁场对运动电荷的作用力。课本定义电源的电动势在数值上等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功。也就是驱使自由电荷在电路中发生定向移动的驱动力。所以电源的电动势和非静电力做功密不可分，非静电力做功的过程，就是其他形式的能变成电能的过程。由以上分析得到电动势的定义：即非静电力把单位正电荷从负极移到正极所做的功，称电源的电动势。

三、新旧教材对电动势讲解的比较

旧教材第六节只有很小的一部分介绍电动势，在过去的教学中，我们说：“电源两极间电压的大小是由电源本身的性质决定的，为了表征电源的这种特性，物理学中引入了电动势的概念”，紧接着就告诉学生干电池的电动势是1.5V,铅蓄电池的电动势是2.0V，不同的电源电动势不一样，学生对电动势的概念不是很理解。所以，不少学生对问题：用久的干电池的电动势小于1.5V,它的物理意义是什么？无法回答，但学习了新课程

流体静力学方程的应用篇2

关键词：合成橡胶　静态混合器　装置小型化

一、前言

在化工及其它工业生产过程中，长期以来一直采用在流体管路中设置折流板或缩扩管来达到物料的物料的混合效果。但由于这些装置过于简单，对于粘度范围很宽的液体，很难达到有效的混合效果。另外依靠机械传动驱动的混合机构，已难以满足近年来对生产工艺的连续化、高效化、节能化、装置小型化的要求。

静态混合器是一种新型先进的化工单元设备，自70年代开始应用后，迅速在国内各个领域得到推广应用。

二、静态混合器概述

静态混合器主要包含SV型、SX型、SL型、SH型和SK型五大类型。 由于混合器单元内件结构各有不同，应用场合和效果亦各有差异，选用时应根据不同应用场合和技术要求进行选择。 静态混合器由外壳、混合单元内件和连接法兰三部分组成。静态混合器是依靠组装在混合管内的混合单元，使互不相溶的流体在混合管内流动时，流体受混合单元的约束，发生分流、合流、旋转等运动，促使每种流体都达到良好的分散，流体间达到良好的混合，具有分散效果好，能耗省，体积小，见效快，处理量大，放大容易和易于实现连续混合工艺。

三、静态混合器在合成橡胶中的应用

在橡胶合成过程中需要多种化工介质的混合，有时介质的流量、粘度相差极大，要混合均匀具有相当大的难度。一般采用机械搅拌的方法，但往往因为混合不均匀而影响效果。现我公司采用静态混合器实例应用：胶液和水的混合。

某公司10万吨/年高顺式顺丁橡胶生产装置中，已知胶液处理量12.5m3/h，操作温度82.5℃，操作压力1.0MPaG, 密度740kg/m3 ,粘度5000cP，加入热水30m3/h，热水操作温度105℃，操作压力0.2MPaG, 密度960kg/m3 ,粘度0.3cP。如采用机械混合设备复杂，装置大，不能连续工作，

四、静态混合器的设计计算

我们考虑采用静态混合器设计原理如下；混合的均匀程度可用不均匀度系数来衡量，不均匀系数越小，混合程度越均匀。工程上不均匀系数小于5%则认为混合已基本均匀。混合的均匀程度与混合器的单元结构、流速和混合长度有相当大的关系。由HG/T20570.20-95《静态混合器的设置》规范查询，此混合器宜采用SK型，混合器操作流速适宜于0.3～0.8m/s之间。总体体积流量42.5m3/h，初选静态混合器管径200mm，流体流速u为：

u=（12.5+30）/（3600×0.0314）=0.376m/s

混合器的混合长度去L/D=10

混合器型号规格定为：SK-100/200-1.6-2000BB

压力降验算：

雷诺数 Re=Dρu/μ=0.2×960×0.376/0.0003=240640

由HG/T20570.20-95《静态混合器的设置》查表2.0.3-2得：摩

擦系数f=2.53

压降：ΔP=f（ρ/2）u2 （L/D）=2.53×480×0.141×10=1712.3Pa

经检验符合一般静态混合器的压降要求，因此采用如图1，SK-100/200-1.6-2000BB静态混合器。

L-混合管长度，m

D-管内径，m

u-混合介质流速，m/s

μ- 流体粘度，Pa·S

ρ- 密度，kg/m3

五、结束语

静态混合器在合成橡胶中的应用使物料的混合具有分散效果好，能耗省，体积小，见效快，处理量大，放大容易和易于实现连续混合工艺。得到了客户的一致好评，使化工和石化行业大大提高了生产效率和生产成本。本文中的部分观点希望能为同行业相关人员提供参考。

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作者简介：周炳洪（1983-） 男，大学本科，机械设计专业，南通旺达石化设备工程有限公司 ，设计工程师。

流体静力学方程的应用篇3

关键词：浆砌石重力坝；三维有限元法；振型分解反应谱法；静态响应；动态响应；静动应力叠加；受拉最不利组合原则

中图分类号：TV642.3 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0487-06

Abstract：According to the engineering geological conditions of Qingtianhe masonry gravity dam，a three-dimensional finite element model of the overflow dam section was built using the three-dimensional finite element method.The response spectrum method was used to conduct the seismic response and safety evaluation of the dam.In consideration of the load combinations caused by the seismic loading，the most disadvantaged tensile stress superposition principle was adopted to linearly superpose the static and dynamic calculation results，and the comprehensive static dynamic response was obtained.On the basis，the strength and stability against sliding of the dam were analyzed and evaluated.The results showed that the strength of the dam meets the standard requirement under the static and dynamic loadings with seismic intensity of level VII；the safety coefficient of stability against sliding of the dam foundation is 3.47，which is greater than the minimum safety coefficient allowed by the standard；and however，the carrying capacity of dam foundation is insufficient and needs to be reinforced.

Key words：masonry gravity dam；three-dimensional finite element method；mode-superposition response spectrum method；static response；dynamic response；superposition of static and dynamic stress；most disadvantaged tensile stress superposition principle

青天河水库坐落于丹河下游晋豫交界的河南省博爱县境内，是建在丹河中游的一座集灌溉、防洪、梯级发电、旅游于一体的中型水库，属Ⅲ等工程，其主要建筑物级别为3级。大坝坝型为浆砌石重力坝，坝轴呈直线，坝顶高程366.00 m，最大坝高76.0 m，坝顶长159.0 m，顶宽6.3 m，最大底宽50 m左右。上游面在高程350.00 m以上为直立面，350.00 m以下坡度为1∶0.05。河谷中间布置溢流段，长67.5 m，以伸缩缝与左右挡水坝段相连。溢流坝顶高程350.00 m，最大坝高60 m。迎水坡坡度：高程347.50～350.00 m为1∶1，高程310.00～347.50 m为1∶0.05，高程290.00～310.00 m为1∶0.25。坝踵以半径2.0 m圆弧与基岩连接。溢流坝面在336.25 m高程以上为克-奥Ⅱ型曲线，336.25～315.74 m高程坡度1∶0.75，315.50 m高程以下以半径18.5 m反弧与鼻坎相接。鼻坎高程310.00 m，挑角25°。最大坝底宽67.0 m。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001），水库坝址区域50年基准期、超越概率10%的地震动峰值加速度0.10 g，相应地震基本烈度VII度，地震动反应谱周期为0.35 s。根据规范[1-2]之规定，有必要对重力坝坝体进行地震响应分析。本文采用三维有限元法和ANSYS软件，通过振型分解反应谱法[3-4]，对青天河大坝溢流坝段的坝体进行地震响应分析，并将动力分析结果与大坝在正常蓄水工况下静力分析成果进行叠加，从而得到大坝在静动力作用下的坝体应力，据此对大坝的强度及抗滑稳定性进行分析和评价[5]。

1 有限元模型

青天河重力坝溢流坝段典型剖面见图1，根据结构特性以及计算分析要求，将闸门挡水时作用在闸墩上的水压力按集中力作用于闸墩的牛腿上（忽略廊道、机房和闸门等附属结构的影响）[6]。根据大坝断面设计情况，坝体和坝基的材料分区如下：溢流坝段坝身中部采用50号浆砌石砌筑，挑流鼻坎部分采用75号混凝土浇筑，坝身外部采用100号浆砌块石砌筑，厚度按部位分别为1～3 m，在砌石表面浇筑300号混凝土护面。大坝迎水面浇200号混凝土防渗板，面板和坝体砌石之间由长2 m、直径16 mm，间距3 m的锚筋相连。溢流坝面斜坡段为250号混凝土浇筑，最小厚0.7 m；反弧段混凝土浇筑分两层，下层1.5～1.8 m为200号混凝土浇筑，表面0.8～0.2 m为300号混凝土浇筑，混凝土总厚度最小为2.0 m；鼻坎下游直墙为150号混凝土浇筑；反弧段混凝土骨料为白云质灰岩石子，除300号混凝土用遂平砂外，其余用青砂，水灰比1∶0.5～1∶0.6。溢流坝面表层布有钢筋，保护层厚100 mm，斜坡段钢筋直径14 mm，反弧段钢筋直径18 mm，间距均为200 mm。

采用ANSYS建立三维有限元模型，并进行计算分析，坝体及坝基材料均假定为线弹性材料，单元类型采用Solid 45单元。计算坐标系规定：对于三维有限元模型，X轴为顺河向，指向下游为正；Y轴为坝轴线向，指向左岸为正；Z轴为垂直向，指向上方。计算模型范围如下：X方向，以坝轴线为零点，上下游各取约1.5倍坝高（60 m）；Y方向，取一个坝段；Z方向，坝基岩体取约1.5倍坝高。单元划分则采用超单元自动剖分技术生成有限单元，剖分后，溢流坝段的计算模型节点总数为21 395，单元总数为18 272，有限元网格见图2。

2 计算参数和计算工况

2.1 计算参数

静力分析时采用的各材料主要物理力学参数见表1。动力分析时，根据规范[1]，坝体各分区材料的动态弹性模量的标准值较其静态标准值提高30%。

2.2 计算工况

根据规范[1]中的相关规定和青天河大坝的实际情况，选取“正常蓄水位+地震”工况进行计算分析。正常蓄水时，上游水位为359.00 m，相应下游水位290.00 m。计算荷载包括静水压力及相应的扬压力、坝体自重、淤沙压力、浪压力、设计地震作用及动水压力。

2.3 计算分析方法

计算分为两步，首先进行静力计算（正常蓄水位工况），以获得地震前坝体的静应力状态，随后施加地震荷载，进行动力计算（地震响应）。坝体结构动力计算采用振型分解反应谱法，结构模态分析采用子空间迭代法。

2.3.1 静力计算

静力计算分析时，假定坝体及坝基材料均是线弹性的，计算所施加的荷载为：上游正常蓄水位水压力+下游相应尾水位水压力+坝体自重+淤沙压力+坝基面扬压力+浪压力。具体实施的ANSYS命令流可参见文献[7]。

2.3.2 动力计算

动力计算时岩基考虑为无质量弹性地基[8]，库水假定为不可压缩流体，水深处的地震动水压力按式（1）转换为坝面附加质量的形式计入：

Pw（h）=7ahρw[KF（]h[KF）]/8[JY]（1）

式中：Pw（h）为坝面水深h处的地震动水压力代表值；ah为水平向设计地震加速度代表值，地震烈度为Ⅶ度时，对应值为0.1 g；ρw为水的密度；h为水深。

采用子空间迭代法进行溢流坝段的模态分析[9]。为了保证计算精度，规范[1]建议应计算尽可能多的振型以进行组合，但相关研究表明对于重力坝这样的大型水工结构物，地震作用效应贡献最大的是前几阶振型，一般取5～10阶振型即可满足计算精度要求[10-11]，因此，本文振型组合只考虑前10阶进行计算，其中前6阶振型见图3。

由图（3）可知，坝体第一阶振型以横河向水平振动为主，第二阶和第四阶振型以顺河向水平振动为主，第三阶振型以竖向振动为主，第五阶振型以后有扭曲变形趋势，第五阶振型以横河向为主的扭转，第六阶振型则是以顺河向为主的扭转。总体来看，大坝的振动特点符合一般重力坝的自振规律。

将模态分析得出的坝体各阶频率和反应谱谱值输入，进行反应谱分析，并进行10阶模态扩展，得出各阶反应谱分析结果。反应谱分析和模态扩展的流程及命令流，可参见文献[12]。考虑重力坝总地震作用效应时，采用SRSS方式将各阶振型的地震作用效应进行组合[13]，即取各阶地震作用效应平方和的平方根作为总地震效应。

2.3.2 静动叠加方法

由于任何水工结构物都不可能仅受地震荷载作用，要完整考虑坝体的应力状态，需要将静力计算结果与动力计算结果进行叠加[12]。由振型分解反应谱法计算出的应力为绝对值，而静力荷载作用下的应力有正有负，因此，如何进行静力计算结果与动力计算结果的叠加是重力坝抗震安全评价时首要解决的问题[14]。由于混凝土类材料的抗拉强度远小于抗压强度，进行大坝安全评价时，通常首要关注材料的抗拉强度是否满足规范要求。因此，限于篇幅，考虑静动荷载共同作用时，本文采用受拉最不利组合原则[15]，按应力同向或反向直接叠加的方法将由反应谱法计算所得的动力响应与大坝在正常蓄水位工况下的静力响应进行叠加，由此得到的拉应力是偏于安全的，但压应力却有所减小。

3 计算结果分析

3.1 坝体静应力状态分析

只考虑静力荷载作用（正常蓄水位工况）时，取坝体最高的中间剖面为控制断面，则该剖面应力分布见图4（拉应力为正，压应力为负）。

由图4可知：（1）坝体最大第一主应力（拉应力）出现在上游混凝土面板与基岩交接处，此处由于坝踵以半径2.0 m圆弧与基岩连接，从而大大减小了坝踵处应力集中的程度，最大拉应力值为0.31 MPa，远小于200号混凝土防渗面板的轴心抗拉强度1.0 MPa，满足规范[16]要求。（2）坝体垂直向最大拉应力为0.20 MPa，同样也出现在坝体上游坝踵处，拉应力区宽度很小，满足规范[16]规定的拉应力区宽度小于坝底宽度0.07倍的要求。最大垂直向压应力为-2.28 MPa，出现在下游坝址处，范围很小，为应力集中所致。根据文献[17]，青天河大坝地基允许承载力为2 MPa，为大坝安全考虑，在实际工程中需对坝基进行加固处理。（3）坝体内部浆砌石区没有出现拉应力，压应力范围在-0.11～-0.73 MPa，应力值较小。由于坝体内部浆砌石材料与外部包裹的混凝土材料的性质差异，在砌石材料与混凝土材料接触面部位出现应力突变现象，这与混凝土重力坝应力分布情况不同。

整体来说，正常蓄水位工况，只考虑静力荷载作用时，溢流坝段坝体应力满足规范要求，但坝基需要进行加固处理。

3.2 坝体动应力响应分析

只考虑地震荷载作用时，同样取坝体中间剖面为控制断面，动应力分布见图5。

由图5可知，各项动应力的最大值均出现在坝体表面，坝体内部动应力相对较小，坝体最大第一主应力为1.20 MPa，出现在下游溢流面斜坡段与反弧段交接处，最大第一主应力出现在该处可能是由于浆砌石坝体的弹性模量远小于混凝土的弹性模量，反弧段下部浆砌石坝体的变形较大，从而导致了反弧段混凝土应力的增大；坝踵部位由于采用半径2.0 m圆弧与基岩连接，有效的减小了应力集中的程度，最大第一主应力为1.06 MPa；坝址部位存在一定的应力集中，最大第一主应力为0.78 MPa。坝体垂直向最大动应力为1.16 MPa，出现在闸墩与下游溢流面相接的拐角处，范围很小，属于应力集中现象；坝踵坝趾部位应力分布同第一主应力分布，最大垂直向动应力分别为1.03 MPa和0.75 MPa。

3.3 大坝抗震安全评价

将动力分析结果与正常蓄水位工况下静力分析成果进行叠加，从而可得大坝在静动荷载共同作用下的坝体应力，据此对大坝进行抗震安全分析和评价。

3.3.1 应力分析

在静动荷载共同作用下，坝体中间剖面应力分布见图6。

由图6可知，静动荷载共同作用下应力分布规律与静力荷载单独作用下计算所得应力分布规律类似，极值出现部位大体相同。坝体最大第一主应力（拉应力）值为1.17 MPa，出现在坝踵处。坝体垂直向最大拉应力为1.03 MPa，同样出现在坝体上游坝踵处；最大垂直向压应力为-1.83 MPa，出现在下游坝趾处，范围很小。坝体内部浆砌石区没有出现拉应力，压应力范围-0.04～-0.40 MPa，应力值较小。根据规范[1]，坝体材料在地震荷载作用下材料的抗拉强度也较静力情况下增大30%，考虑静动荷载共同作用时，坝体上游200号混凝土防渗面板的动态抗拉强度为1.30 MPa，最大第一主拉应力小于混凝土的动态抗拉强度，同时拉应力区宽度很小，远小于坝踵至帷幕中心线的距离，满足规范[16]关于拉应力区宽度的规定，故大坝在正常蓄水位遭遇地震作用，坝体强度满足规范要求。

值得注意的是，如前文所述，本文只按受拉最不利组合原则叠加动应力场与静应力场，由此方法得到的坝体拉应力是偏于安全的，但压应力有所减小。因此，静动应力叠加后，坝趾处最大垂直向压应力小于静力荷载单独作用时坝址处的最大垂直向压应力，同时也小于地基允许承载力2 MPa。但若按受压最不利组合原则，即应力反向时由静应力场与动应力场直接相减，则坝趾处垂直向压应力将超过地基允许承载力，因此，在实际工程中需对坝基进行加固处理。

3.3.2 抗滑稳定分析

根据文献[17]，青天河大坝坝基处没有明显的贯穿性裂缝扩展，因此本文只对坝基面的抗滑稳定进行分析和评价。根据规范[2]给出的抗剪断强度公式，计算坝基面的抗滑稳定安全系数。用有限元法计算时，按照对坝体稳定最不利的原则，将静力和动力计算所得的应力场进行叠加，得到静动荷载共同作用下坝体的应力场，然后提取模型坝基面各节点的法向应力和剪应力，由此计算出坝基面上全部竖向荷载和切向荷载，并最终得到坝基面上的抗滑稳定安全系数，相应公式如下：

4 结论

（1）根据青天河浆砌石重力坝的实际情况，建立了溢流坝段的三维有限元模型。对静力荷载作用下（正常蓄水位工况）溢流坝段应力分布情况进行了计算分析。结果表明，在静力荷载作用下，坝体外部混凝土区的压应力远小于混凝土材料的抗压强度，拉应力也满足规范要求；坝体内部浆砌石区没有出现拉应力，压应力值很小，满足规范要求；但坝基承载能力不足，需进行加固处理。

（2）按受拉最不利组合原则将静力计算结果与动力计算结果进行了叠加，结果表明在静动荷载共同作用下，坝体应力分布规律与静力荷载单独作用下计算所得应力分布规律类似，极值出现部位大体相同，坝体强度满足规范要求。根据刚体极限平衡原理，对大坝沿坝基面的抗滑稳定进行计算分析，结果表明地震工况下大坝沿坝基面抗滑稳定系数满足规范要求。

（3）有限元法计算结果表明，大坝坝踵处以半径2.0 M圆弧与基岩连接，不仅可以大大减小坝踵处应力集中的程度，同时对增加坝体的抗滑稳定性也是有利的。

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流体静力学方程的应用篇4

[摘要]力学因素是软骨组织工程中的重要影响因素之一。近年来的研究表明，力学作用可以刺激细胞外基质的分泌，改变三维支架上培养的软骨细胞的新陈代谢，从而促进软骨组织的生长与重建。本文就力学因素对软骨细胞增殖分泌的促进、力学刺激的传导机制及生物反应器在软骨组织工程中的应用等方面做一综述。

[关键词]力学载荷；软骨细胞；力学信号；生物反应器；软骨组织工程

[中图分类号]Q813 R318.01 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2009）03-0405-03

Application of mechanical loading in vitro with constructing tissue-engineered cartilage

TIAN Tian1,ZHANG Qing-guo2

(1.Department of Plastic Surgery, Affiliated Zhongda Hospital, Southeast University, Nanjing 210009,Jiangsu,China; 2.Auricular Reconstructive Center of Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy of Medical Science, Beijing 100144, China)

Abstract: Mechanical factor is one of the most important factors in cartilage tissue engineering. Recently,this research study have been revealed that mechanical loading can stimulate the release of extracellular matrix, changes the neo-metabolic activity of cultured chondrocytes in 3D scaffolds, and subsequently accelerate the growth and remodeling of cartilage tissue. The aim of review is to discuss the promotion of proliferation and secretion of chondrocytes by mechanical factor, mechanisms by which chondrocytes respond to mechanical signals, and the applications of bioreactor in cartilage tissue engineering.

Key words: mechanical loading; chondrocyte; mechanical signal; bioreactor; cartilage tissue engineering

多种原因造成的关节软骨病变比较常见，软骨损伤后缺乏自愈能力，寻找软骨缺损修复的方法一直是临床的难题。近年来，随着组织工程学技术的发展，开展体外构建组织工程化软骨的研究越来越被人们重视。适当的力学刺激因素可以在一定程度上克服传统软骨细胞培养条件的不足，满足细胞在可吸收聚合物中的营养需要，减少处于中心部位的软骨细胞由于营养不良或代谢不畅而导致的生长迟滞甚至死亡。因此，对软骨细胞进行三维立体培养时，研究力学刺激对细胞的影响、力学信号的传导机制以及应用生物反应器对体外培养的细胞大规模扩增都将对软骨组织工程的发展有着非常重要的意义。

1软骨组织的生物力学性状

软骨由软骨细胞和软骨基质构成，软骨细胞包埋于软骨陷窝内，软骨基质由软骨细胞产生和分泌。软骨基质主要由胶原和蛋白多糖组成。胶原纤维在软骨的不同层面排列形成不同结构，具有很强的拉伸性能；蛋白多糖凝胶分散在胶原纤维网之间，本身不具有抗压作用，但由于蛋白多糖有很强的吸水膨胀性，加上蛋白多糖上经常有固定负电荷互相排斥，使它有充分扩展倾向，而这个倾向却被周围的胶原纤维网约束了，最终两者达到压力平衡[1]，使软骨内部在未受外力时就存在一个膨胀压（渗透压）。当外力大于膨胀压时，引起液体外流，蛋白多糖浓度增加，渗透压增大以对抗外压力，同时将压力传递给胶原纤维，使压应力转化为张应力。因此，外界因素如异常应力导致蛋白多糖、胶原的减少、破坏或微细结构的改变等，都会引起关节软骨力学性能的变化。

2力学刺激的应用

2.1 压力：压力是正常人体关节软骨最主要的受力，可以将其看成是由一系列随时间变化的动态成分和随时间缓慢发展的静态成分组成[2]，因而体外研究实验多采用的压力方式有两种：一种是持续静压力，另一种为动态压力。

静压力多为早期研究所关注的加载方式，它的施加使组织保持持续恒定的压缩状态，但普遍发现基质的合成将受到抑制。近年的研究对于静压力的作用效果有更深一步理解，Quinn 等[3]认为静压力使培养基内可溶物质运输受限，而导致软骨细胞代谢水平下降，Ragan 等[4]发现40h持续静压力只是促使新合成的蛋白多糖分子流失到培养基中，并不伴随蛋白多糖分子的大小、成分的改变，认为静压力不引起细胞代谢途径的变化。

研究发现，在循环动态压力作用下，软骨组织内四种物理特性发生变化：静水压、毛细液流及其引起的离子浓度与电荷变化、流能和组织与细胞变形。Huang 等[5]分组对骨髓间充质干细胞施加周期性压力(强度为压缩10%、频率为1 Hz，4 h/d)，处理3、7、14天后, 发现TGF-β1 干预组、压应力干预组、TGF-β1与压应力复合干预组的TGF-β1 及软骨分化标志物的表达, 均较静止对照组增强，提示压应力可能促进骨髓间充质干细胞的软骨性分化，并推断其通过增强TGF-β1基因表达来调节。一些生长因子也与力学刺激具有某种联系，如生理范围内的正弦动态压力刺激可使胰岛素样生长因子-1(IGF-1)对关节软骨蛋白及蛋白多糖合成的促进作用的时间提前，提示力学作用不但可以单独刺激关节软骨细胞，还可促进IGF这种可溶性细胞生长因子与相对分散的单个细胞的结合[6]。这也提示联合应用力学因素和生物活性因子优于应用单一方法，可以更有效地进行体外软骨组织构建和体内缺损的修复。

2.2 流体静压力：流体静压力，也有称其为生理液态压力，是生理活动时对软骨细胞影响最大的力[7]。实验表明选用的间歇性流体静压力负荷低于或近似于生理水平(1～10MPa)，将不会引起细胞形变[8]，并能提高软骨细胞蛋白多糖和Ⅱ胶原的mRNA 的表达水平[9]，对基质的合成、积累有重要作用；而超过生理范围的持续高流体静压力则会改变细胞骨架结构、破坏高尔基体，导致正常的软骨细胞向关节炎样细胞变化[10]。

2.3 剪切力：流体剪切力是机体内微环境重要组成部分。目前，流体剪切应力模型有锥板流动室、平行平板流动室、板板流动室、圆柱管流动室和径向流动室。李洪鹏等[11]利用平行平板流动室对人骨髓间充质干细胞加载0.5Pa 的流体剪切力30min后，发现细胞增殖能力提高，细胞活性增强，S期细胞百分比较对照组增高约180%。Malaviya等[12]将3.5Pa的流体剪切力作用到单层培养的牛原代关节软骨细胞上，96h后发现流体剪切力可明显促进软骨细胞的增殖，施加剪切力组培养液中的TGF-β1是静止组的3.5倍，培养液起到了有丝分裂原的作用；当用抗TGF-β1抗体或抗TGF-β1II型受体抗体时，这种作用被阻断，但由于阻断作用是部分的，可以推测流体剪切力促进软骨细胞的增殖是部分TGF-β1及其受体介导的。Waldman等[13]选用小幅度的剪切力（1%～3%应变），先将软骨细胞种植在生物陶瓷支架中，让其自由生长4 周后，再施加间歇性剪切力作用4周，结果发现8 周后的样本对比未加力组，无论从厚度、脱水重量、压缩模量、平衡模量还是蛋白多糖、胶原量都显著增加，这可能与剪切力作用改变了细胞外基质超微结构有关，有待进一步研究。

2.4 离心力：离心力的施加主要是利用复合物在离心机内高速旋转，从而对复合物产生离心力，该办法不要求特殊设备，较为简单。将高密度软骨细胞接种在离心管内，离心力可能发挥了类似生物体内应力的作用，可以使软骨细胞按固定方向进行空间排列，在支架材料中形成一定的初期分布，有利于营养物质的交换和细胞的增殖代谢。孔清泉等[14]将软骨细胞种植在脱细胞软骨基质材料上，并移入离心管中培养，每天取出离心管置于离心机上离心3次，每次离心时间20min，相对离心力约为200g，复合物培养至8 周后与静态培养组比较发现，离心力的作用主要是能刺激软骨细胞分泌GAG和Ⅱ型胶原增加，并使该类软骨组织具一定层次排列结构，而静态培养的类软骨组织排列较为紊乱。刘天一等[15]研究离心力和摇床力对三维支架软骨诱导剂培养的猪骨髓间充质干细胞向软骨分化的影响，发现第4 周和8 周时，两组实验组的细胞材料复合物形状保持良好，细胞生长情况、软骨陷窝形成、蛋白多糖沉积及Ⅱ型胶原合成均明显优于对照静止组，从而表明种子细胞体外构建组织工程化软骨中, 施加力学刺激也可以促进软骨组织成熟。

2.5 张力：在生物体运动过程中, 细胞组织常常受到动态的牵拉应力作用, 体内牵拉力是通过细胞外基质传递到细胞的，因此张应力学模型通常是以弹性膜为基底材料，利用模板、液体或气体对基底膜施加可控的位移或压力作用, 引起培养膜发生弹性变形, 从而使粘附于膜上的细胞受到相应的张应变作用。Wright等[16]对体外培养的人长骨关节软骨细胞施以牵张力后发现，细胞cAMP及蛋白多糖的合成增加。低频率、低强度的牵张力可促进软骨细胞合成分泌蛋白多糖，而高频率、高强度的牵张力则抑制蛋白多糖的合成和分泌[17]。所以适当的张力可促进单层培养软骨细胞的增生和分泌，这与体内研究的结果一致。

3力学载荷可能的信号传导机制

力学刺激体外细胞所引起一系列的变化，是通过一定的途径, 将细胞外力学信号传导至细胞内，从而启动或调节相关的基因蛋白表达分布。国内外大量研究表明，机械载荷刺激细胞组织后，其基本的机械力学信号转导机制与调节过程具有相同信号途径，主要为3 条：通过细胞外基质信号-跨膜整合素-细胞骨架构像改变对信号的传递，激活细胞膜力敏感离子通道介导细胞内钙离子水平升高，触动G蛋白偶联酪氨酸激酶磷酸化与促分裂原活化蛋白激酶调节的级联反应, 各信号分子之间存在网络状调控, 最后导致转录因子的激活。戚孟春等[18]用过高的牵拉应力(4 000με,0.5Hz)系统干预骨髓间充质干细胞后，激光共聚焦显微镜观察到细胞骨架F-actin解聚和重排, 并诱发部分细胞发生凋亡，表明细胞骨架是骨髓间充质干细胞传导力学信号通路中重要的一环。整合素对于许多类型的细胞粘着于细胞外基质蛋白具有重要作用，是介导力学的重要物质，因为它们能够与肌动蛋白结合的蛋白质相互作用，通过细胞骨架来与细胞外基质产生联系。Holmvall等[19]在软骨细胞中及软骨肉瘤细胞中均可分离到α1β1和α2β1整合素，能够表现与软骨特异性基质成分II型胶原的高亲和性；在力学刺激下，基质成分II型胶原及整合素mRNA均明显升高，而β1整合素亚单位并未改变，α5或α2整合素有所升高，α2β1整合素与II型胶原结合位点很可能介导了力学刺激。

4生物反应器的应用

目前体外软骨构建技术主要存在组织“空心”、力学强度差以及难以精确塑形等问题。生物反应器的出现及其在软骨组织工程中的应用为解决这些问题带来了希望[20]，主要是因为它能模拟体内微环境，为细胞生长传输物质，并可施加各种力学刺激，弥补体外培养条件的不足。因此，生物反应器已逐渐成为软骨组织工程的一个重要研究领域。

4.1 机械搅拌式生物反应器：该生物反应器的支架-细胞复合物悬在反应器的瓶塞上，支架周围加入培养液，位于培养瓶底部的磁棒不断搅拌，每隔数日更换培养液以保持营养。这种生物反应器的剪力梯度与营养酸碱度变化曲线及不均匀的物体交换率可影响细胞生长。然而，这样的培养体系能使CO2和O2的浓度达到一个类似正常的平衡状态，避免静态培养中O2的降低和CO2的聚集[21]。

4.2 灌注式生物反应器：该生物反应器用继发性液流替代机械性搅拌，通过蠕动移液泵使培养液循环流动。其中的细胞处于一个动态层流场且时刻保持恒定营养供应的环境，同时还避免了常规一次性全部换液带来的培养环境的骤变[22]。与振荡式生物反应器相比，它所培养的细胞密度可提高20倍。目前，这一装置多用于三维材料-细胞复合体的培养。

4.3 间歇性生理液压生物反应器：该生物反应器是先将软骨细胞或软骨块置于培养皿中，其中加满完全培养液，将培养皿上盖双层压力膜，排出培养皿内空气，使压力膜与培养皿贴紧至不留气泡。将该培养皿置于圆柱形压力室中，压力和频率由计算机控制下的压力阀来调控。Carver等[23]发现间歇性生理液态压力可明显促进聚羟基乙酸网上培养的马软骨细胞细胞外基质的合成与分泌，其蛋白多糖的含量至少是无压力培养下的两倍。

4.4 旋转式微重力生物反应器：该生物反应器由两个同轴的容器构成，内瓶静止，允许气体通过瓶壁与外瓶交换；外瓶瓶壁封闭，两瓶中间为培养液。通过调节外瓶转速，使离心力和重力平衡，达到模拟体内细胞所处的微重力状态。该系统使细胞在支架材料内分布较均匀、分化状态较好且细胞密度较大[24]。在软骨细胞体外扩增的初期，由于软骨细胞和支架材料尚未复合紧密，力学作用会使复合不牢的软骨细胞脱落而无法达到软骨细胞-支架材料共同培养，体外扩增的目的。而该装置破坏性应力相对较小或无明显破坏性应力，可以克服上述问题，并产生大的软骨，且组织结构及成分都接近正常软骨，可以用于修复关节软骨的缺损。

5小结

模拟正常体内的力学环境对于体外构建组织工程化软骨起到非常重要的作用。利用动态压力、流体静压力、剪切力、离心力、张力都能提供不错的力学刺激，尤其是生物反应器的设计与应用更加优化了培养环境，提高了工程化软骨的质量。虽然力学因素的作用机制还不十分明确，构建的组织工程化软骨的生物力学性能仍低于正常体内软骨的力学性质, 但随着研究的深入和科学技术的发展, 用组织工程技术来修复软骨缺损及病变的时代已不再遥远。

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流体静力学方程的应用篇5

[关键词]重症医学科；气压治疗仪；深静脉血栓；预防重症

医学科主要收治急危重症患者，鉴于该学科的病患长时间处于卧床，且绝大多数患者存在不同程度血管损伤及血液高度凝集等状态，所以该科室的患者深静脉血栓形成的风险较高，本病的高发部位是下肢静脉[1]。临床表示，对重症医学科患者合理实施深静脉血栓形成预防护理对策，可改善生存质量，且关于预防重症监护室患者下肢深静脉血栓形成的研究层出不穷[2]。气压治疗仪是近几年国内新兴的一种通过产生不同压力的气流，继而对局部进行挤压按摩仪治疗的仪器，随着业界人士的不断研究，有研究者表示，对重症监护患者实施气压治疗仪治疗后，大大降低了下肢深静脉血栓形成风险。本小组特分析了重症医学科患者45例采用气压治疗仪护理在预防深静脉血栓形成中的作用，现报道如下。

1资料与方法

1.1一般资料回顾性分析2014年4月~2016年4月在本院就诊的重症医学科病患85例，根据护理方法分为两组，排除心律不齐、肺水肿、急性炎症性皮肤疾病、深部血栓性静脉炎等患者。本研究经我院医学伦理委员会批准实施，患者均为自愿参与研究，签署知情同意书。对照组40例，男25例，女15例；年龄17～78岁，平均（57.58±9.86）岁；其中重症胰腺炎患者13例，脑卒中偏瘫者10例，呼吸衰竭呼吸机使用者9例，肾功能衰竭者5例，其他3例。研究组45例，男28例，女17例；年龄22～76岁，平均（58.69±8.97）岁；其中重症胰腺炎患者15例，脑卒中偏瘫者9例，呼吸衰竭呼吸机使用者10例，肾功能衰竭者7例，其他4例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。1.2方法所有患者均予以同样的药物治疗。对照组采用常规护理，将患侧肢体抬高，在确保有效治疗前提下，让患者保持舒适的，并每2小时帮助患者翻身1次，在护理人员的指导下协助患者按摩双下肢，被动活动关节。研究组在对照组护理的基础上实施气压治疗仪护理，仪器采用KENDALL压力抗血栓泵，具体操作如下。连接电源，将气管插头和主机器官插座相连，将患者双下肢抬高，套上空气压力套筒，从足背牵拉拉链至大腿最上方，并扣好，然后将4个“Y”型连接管连接在气管插头管上，然后打开电源，设置好压力参数、时间，注意每加压1min，患者应休息11s，压力在40~55mmHg，反复加压和释放压力。气压治疗，2次/d，30min/次。若在治疗过程中患者的身体发生异样感觉，或者治疗仪发生故障（突发停电等），均应立即将定时器调至“0”处，同时关闭电源，将空气管从套管中分离，排尽空气，拔出电源。1.3观察指标观察患者血液峰流速、平均速度、下肢肿胀发生率、深静脉血栓形成率及预防血栓形成有效率。预防血栓形成有效率评价。①显效：经护理后，下肢未见疼痛、肿胀症状，且皮温正常，未见其他异样感觉及腓肠肌挤压情况，双下肢对称，管腔未见回声；②有效：经护理后，一侧或双侧下肢轻微酸胀感，体温正常，管腔内不规则低回声；③无效：一侧或双侧下肢明显疼痛和肿胀，下床困难，超声未见血流信号。总有效=显效+有效[3]。1.4统计学方法采用SPSS18.0统计学软件进行数据分析，计量资料数据用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用t检验；计数资料用率表示，组间比较采用χ2检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1两组患者股静脉血液峰速度、平均速度的比较两组护理前的血液峰流度、平均速度比较，差异无统计学意义（P＞0.05），护理后，研究组的血液峰流度、平均速度高于对照组（P＜0.05）（表1）。

3讨论

深静脉血栓病因是深静脉血管腔内血液异常凝结，静脉管腔阻塞，引起的静脉血流障碍，导致深静脉出现不同程度慢性阻塞[4]。本病常见发病部位为下肢，一旦发生血栓脱落，极易导致重要脏器栓塞，最终造成死亡。重症医学科收治的患者病情大多较严重，其中绝大多数患者在入院后长时间处于卧床休息状态，所以该科室的患者出现深静脉血栓发生率更高[5]。对重症医学科患者实施针对性护理，具有重要价值[6]。气压治疗仪，是近几年临床应用的新型仪器，其用于预防深静脉血栓形成的机理为：仪器在工作时，产生不同压力气流，通过导气管导入气囊，气囊在压力不断上升时逐渐膨胀，对接触气囊的肢体进行大面积挤压、按摩，并且研究表明这种压力可深达肌层、血管及淋巴管，继而促进血液循环，增强血管流速，达到预防深静脉血栓形成的目的[7-8]。相关研究显示，重症医学科病患采用气压治疗仪护理可有效改善患者静脉血流速度，增加血流量，从而增强血管壁剪切力，对于血流瘀滞、血流循环不畅等情况具有明显改善作用[9-11]。这一观点与黄敏[12]的研究结果一致，即采用气压治疗的患者护理干预后7d血液峰速度及平均速度均高于常规护理。本次研究中实施气压治疗仪护理的患者经过护理后股静脉血液峰速度和平均速度均明显高于常规护理组患者。研究显示，重症医学科患者在长期卧床1周内发生下肢深静脉血栓的风险较高，长期卧床患者肢体制动，随着时间延长可造成肢体功能丧失，且血容量降低，血液黏度增加，严重者还可造成肢体偏瘫，肢体长时间不活动，肌力随之下降，对血管产生的支撑力随之减弱，引起血流循环受阻，从而诱发静脉血栓形成[13-14]。由此可见，采取相应的预防深静脉血栓形成的措施显得尤为重要。刘喜梅等[15]通过临床研究证实气压治疗仪护理可有效预防髋关节术后下肢深静脉血栓形成。该研究结果发现通过气压治疗仪治疗的患者深静脉血栓形成率显著低于常规护理组（4.44%vs.20.00%）。本结果显示，采用气压治疗仪对重症医学科患者实施护理干预后能够明显提高股静脉血液峰速度及平均速度，且较常规护理患者相比，明显增高；同时还能有效避免下肢肿胀及深静脉血栓形成的发；气压治疗仪护理可显著提高深静脉血栓预防有效率。综上所述，实施气压治疗仪护理应用于重症医学科患者，可有效增快血液峰值流速及平均速度，从而有效避免深静脉血栓的形成。

流体静力学方程的应用篇6

关键词：灯泡贯流式水电站 静 动力计算分析

3厂房结构静动力分析在ANSYS上的实现

3.1 ANSYS软件介绍[77]

ANSYS是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元分析软件，是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，被美国机械工程师协会(ASME )、美国核安全局(NOA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件，已在国务院十七个部委推广使用。

3.1.1 ANSYS软件简介

ANSYS软件融结构、热、流体、电、磁、声学多个领域为一体，能与多数CAD软件接口(如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等)实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它具备功能强大、兼容性强、使用方便和计算速度快等优点，是目前最为流行的有限元软件之一，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制作、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业和科学研究领域，是目前世界上唯一可以进行祸合场运算的有限元分析软件。

ANSYS软件提供了不断改进的功能清单，具体包括结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分以及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能[77]。

软件基本的模块包括前处理模块(PREP7)、分析计算模块(SOLUTION)和后处理模块(POSTl和POST26 )三个部分。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行静动力学分析、非线性分析和热学分析等)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS构架分为两层(图3-1)，一是起始层(Begin Level)，二是处理层(Processor Level)。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。

图 3-1

ANSYS软件的基本构成为:

(1)节点(Node):节点是构成有限元系统的基本对象，是整个工程系统中的最基本点，工程系统中的一个点的坐标位置。其具有物理称义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后系统的反应。

(2)单元(Element):单元是节点与节点相连而成，单元的组合由各节点相互连接。单元是构成有限元系统的基础，在具有不同特性的材料和不同的结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包含了物理对象的各种特性，ANSYS提供了100多种不同的单元类型，合适的单元选择将可以大大提高计算精度和效率，故使用时必须慎重选择单元型号。

(3)自由度(Degree Of Freedom):自由度在ANSYS中有重要意义，可以表示工程系统受到外力后的反应结果。其不仅有整体系统的自由度，要在分析中进行适当约束，而且每个节点也有自由度，都有各自的坐标系和对应的节点自由度，并且不同单元上的节点具有不同的自由度。因此在结构分析中选择合适的单元显得尤为重要。

ANSYS软件主要技术特点有以下几个方面:

(1)唯一能实现多场祸合分析的软件;

(2)唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件;

(3)唯一具有多物理场优化功能的FEA软件;

(4)唯一具有中文界面的大型通用有限元软件；

(5)强大的非线性分析功能;

(6)多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置;

(7)支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容;

(8)强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行多种自动网格划分技术;

(9)良好的用户开发环境;

(10)支持的图形传递标准，如SAT, Parasolid, STEP;

(11)与CAD软件的接口，nigraphics, Pro/ENGINEER, I-Deas, Catia, CADDS, SolidEdge, SolidWorkso

3.1.2 ANSYS在土木工程中的应用

ANSYS在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流，其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、铜室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用，可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

ANSYS自身具有强大的实体建模技术和三维建模能力，可通过自顶向下或自底向上的方式和布尔运算、坐标变换等多种手段，建立起诸如体育场馆、桥梁、大坝等真实地反映工程结构的复杂三维几何模型。ANSYS提供了智能网格和映射网格两种基本网格划分技术和局部细分等多种网格划分工具，可完成精确的有限元模型。其还具有与CAD软件专用的数据接口，能实现与CAD软件的无缝几何模型传递，实现不同分析软件之间的模型转换，并可读取多种格式的图形标准文件。

ANSYS的计算结果不但可以直观地用图形显示出来，为定性地判断计算结果和和设计的合理性带来了极大的方便，还可以把计算结果列表的形式输出，并对结果数据进行多种计算处理，使用户定量地计算数据，准确地得出分析结论。提供了许多数据后处理工具，如数据排序、数据运算、单元表、路径结果运算、误差估计、响应谱生成、单点疲劳分析、支反力计算、时间相关数据处理、应力线性化等。ANSYS还提供有计算报告生成器，按用户选定的报告模板或用户申定义的模板生成一个图文并茂的分析报告。

软件可实现结构的静力和动力分析，计算结构的整体和局部失稳;给出结构的自振频率和振型;计算结构在水流、大风、运动车辆载荷和地震载荷等动载荷作用下的响应;结构构件与支撑部位间的接触状态;锚固钢缆、预应力钢筋、钢支撑等钢结构强度分析及其与岩土和混凝土之间的相互作用:斜拉桥、悬索桥等桥梁的钢丝束静动强度分析等等。可任意设定荷载工况，并可完成各种复杂的静、动荷载以及温度荷载工况组合，.能很方便地计算出结构所承受的弯矩、扭矩、轴力以及应力分布和变形情况，找出桥梁在各种运动车辆荷载作用下的最不利位置，ANSYS还可模拟混凝土对钢筋的握裹约束作用以及素混凝土或钢筋混凝土的压碎与开裂、收缩与徐变，大体积混凝土在温度和外力作用下裂隙的分布与扩展过程。可对各种施工过程进行模拟，如杆件的拼装过程、斜拉桥的调索过程、预应力钢筋的张拉过程、混凝土的浇筑过程;模拟地下洞室在高地应力和岩石流变作用下围岩与衬砌的相互作用，以选择最佳建造时间;模拟隧道和洞室在不同施工条件下、不同开挖顺序下，边帮及底板的回弹、错动以及高地应力区岩爆发生的过程:隧道开挖过程仿真及优化开挖顺序;爆破及地震应力波的传播及其对结构的破坏作用;大坝和道路施工过程仿真。土壤在地震等载荷作用下对结构的作用:边坡的稳定性分析;建筑物、支撑、深基、桩等的承载能力与沉陷分析;桩基与土体的祸合分析;在复杂岩基中，边坡和洞室锚固效果分析:岩土节理、裂隙、断裂、岩层等复杂地质特点的力学仿真。可对各种结构的参数和拓扑优化设计;对各种建筑物的加固与修补。此外，利用ANSYS提供的完善的、多层次的二次开发功能，以ANSYS已有程序为基础平台，可以开发出各种典型土木结构专用分析子程序、行业规范验算程序、特殊处理工具等，从而形成自身的可长期持续应用和发展的分析系统。

软件的结构分析功能包括非线性(材料非线性、几何非线性和接触非线性)、动力学(模态分析、瞬态动力分析、谐波响应分析、响应谱分析和随机振动分析)、疲劳、断裂力学及复合材料分析。其涉及结构、热、流体力学、电磁场等学科，能有效地进行各种场的线性和非线性计算及多物理场相互影响的祸合分析。如在结构计算时考虑温度的影响时，就要使用热一结构祸合。多场祸合计算是此产品的突出特色。

此外，软件还具有一些其他功能，如子模型，可以在不增加整个模型复杂性和计算量的前提下获得结构定区域更为准确的结果，亦可用于研究局部结构的变化情况:子结构，把部分结构等效为一个独立单元，可大大节省求解运算时间并提高建模效率:单元死活，可以用来模拟材料添加与去除过程，如山体开挖、大坝修筑、焊接问题等;优化(参数优化和拓朴优化)，用来达到用户预设的优化目标或在指定材料用量后确定结构刚度最大的拓扑形状;随机有限元，用概率统计的方法来研究多个不确定输入数据导致的输出数据的不确定性;二次开发，允许用户用APD以ANSYS参数化设计语言)、用户子程序、外部命令、UIDL(用户界面设计语言)对软件进行开发。

ANSYS对土木工程的一些热点问题有其独特的实现方法，如预应力施加及计算、施工过程模拟、空间动态载荷模拟等。

ANSYS在我国的很多大型土木工程中都立下了汗马功劳，利用ANSYS进行土木工程分析的例子不胜枚举，如:目前中国最高的建筑—88层楼的上海金茂大厦、上海浦东二十一世纪中心大厦、深圳南湖路花园大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、南