本文關(guān)鍵詞：基于優(yōu)化的中國50百分位下肢有限元模型驗(yàn)證方法研究

  更多相關(guān)文章： 中國50百分位 下肢 有限元模型 優(yōu)化 大腿 小腿

【摘要】：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,行人安全狀況逐漸突出,行人安全已逐漸成為國內(nèi)外汽車安全研究的重要課題。由于下肢最先與汽車發(fā)生碰撞,下肢損傷在汽車與行人碰撞中非常常見。雖然下肢損傷不是致命傷,但是最容易導(dǎo)致長期或永久性殘疾。因此,探究下肢損傷機(jī)理對(duì)保護(hù)行人安全具有重要意義。有限元分析方法能夠準(zhǔn)確地模擬人體組織的應(yīng)力應(yīng)變,能夠較好地模擬汽車與下肢發(fā)生碰撞的響應(yīng),已成為研究人體損傷機(jī)理的有效方法。然而,現(xiàn)有的下肢有限元模型都是基于歐美人體建立的,其生物力學(xué)響應(yīng)與中國人體的差異值得探討。因此,本文將通過尺寸縮放方法建立中國50百分位下肢幾何模型,使用優(yōu)化方法開展全面的模型驗(yàn)證,建立適合中國人體的下肢有限元模型。本文采用計(jì)算機(jī)斷層(CT)和磁共振成像(MRI)技術(shù)獲取下肢模型的影像數(shù)據(jù),運(yùn)用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics和三維處理軟件Geomagic Studio,構(gòu)建下肢幾何模型。根據(jù)人體統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)將下肢模型縮放到中國50百分位人體尺寸。綜合使用ANSYSY ICEM CFD和Hypermesh軟件對(duì)下肢模型進(jìn)行高精度的六面體網(wǎng)格劃分,并根據(jù)下肢各部位的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性賦予不同的材料屬性。采用縮放方法對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放,以使得生物力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)適應(yīng)中國50百分位的人體尺寸。為更全面地驗(yàn)證下肢有限元模型的生物逼真度,本文對(duì)下肢有限元模型進(jìn)行了多層次的全面驗(yàn)證。在大腿、小腿模型的驗(yàn)證中,使用優(yōu)化方法對(duì)長骨皮質(zhì)骨材料的彈性模量、拉壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線、失效應(yīng)變以及肌肉的體積模量進(jìn)行優(yōu)化,使得股骨、脛骨、腓骨、大腿和小腿的近心端、中部、遠(yuǎn)心端三個(gè)加載位置的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果以及股骨、脛骨、腓骨中部縱向(A-P)和橫向(L-M)的準(zhǔn)靜態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在膝關(guān)節(jié)模型的驗(yàn)證中,使用優(yōu)化方法對(duì)前交叉韌帶(ACL)、后交叉韌帶(PCL)、脛側(cè)副韌帶(MCL)、腓側(cè)副韌帶(LCL)進(jìn)行體積模量、超彈性系數(shù)、普羅尼算法系數(shù)和失效優(yōu)化驗(yàn)證,并進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的四點(diǎn)彎曲和三點(diǎn)彎剪進(jìn)行校驗(yàn)。最后對(duì)整個(gè)下肢模型進(jìn)行整體檢驗(yàn)。通過優(yōu)化方法,仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線擬合較好,峰值出現(xiàn)的時(shí)刻基本一致,仿真結(jié)果均在實(shí)驗(yàn)范圍之內(nèi)。這表明所建立的下肢有限元模型具有較高的精度和生物逼真度,可用于下肢生物力學(xué)研究。同時(shí),也表明該建模和驗(yàn)證方法能夠有效應(yīng)用于人體有限元模型開發(fā)。
【關(guān)鍵詞】：中國50百分位 下肢 有限元模型 優(yōu)化 大腿 小腿
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U467.14
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 研究目的及意義12
• 1.2 國內(nèi)外下肢有限元模型研究進(jìn)展12-14
• 1.2.1 國外下肢有限元模型研究進(jìn)展12-13
• 1.2.2 國內(nèi)下肢有限元模型研究進(jìn)展13-14
• 1.3 下肢有限元模型發(fā)展趨勢(shì)14
• 1.4 研究方法和流程14-15
• 1.5 本文主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)15-17
• 第2章 大腿有限元模型的開發(fā)驗(yàn)證17-34
• 2.1 幾何建模與尺寸縮放17-19
• 2.2 有限元模型19-21
• 2.2.1 網(wǎng)格劃分19-20
• 2.2.2 材料定義20-21
• 2.3 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與縮放21-22
• 2.4 優(yōu)化驗(yàn)證22-27
• 2.4.1 優(yōu)化流程和方法22-25
• 2.4.2 動(dòng)態(tài)載荷下的股骨和大腿仿真模型25-26
• 2.4.3 準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的股骨仿真模型26
• 2.4.4 準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的股骨頭壓潰仿真模型26-27
• 2.5 大腿模型優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果與分析27-32
• 2.5.1 動(dòng)態(tài)載荷下股骨有限元模型優(yōu)化結(jié)果與分析27-29
• 2.5.2 動(dòng)態(tài)載荷下大腿有限元模型優(yōu)化結(jié)果與分析29-30
• 2.5.3 股骨失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析30-31
• 2.5.4 準(zhǔn)靜態(tài)下股骨模型校核結(jié)果與分析31-32
• 2.5.5 準(zhǔn)靜態(tài)下股骨頭模型校核結(jié)果與分析32
• 2.6 本章小結(jié)32-34
• 第3章 小腿有限元模型的開發(fā)驗(yàn)證34-53
• 3.1 幾何建模與尺寸縮放34-35
• 3.2 有限元模型35-38
• 3.2.1 網(wǎng)格劃分35-38
• 3.2.2 材料定義38
• 3.3 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與縮放38-39
• 3.4 優(yōu)化驗(yàn)證39-43
• 3.4.1 優(yōu)化流程和方法40-42
• 3.4.2 動(dòng)態(tài)載荷下的脛骨、腓骨和小腿仿真模型42-43
• 3.4.3 準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的脛骨和腓骨仿真模型43
• 3.5 小腿模型優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果與分析43-52
• 3.5.1 動(dòng)態(tài)載荷下脛骨有限元模型優(yōu)化結(jié)果與分析43-46
• 3.5.2 脛骨失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析46
• 3.5.3 動(dòng)態(tài)載荷下腓骨有限元模型優(yōu)化結(jié)果與分析46-49
• 3.5.4 腓骨失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析49
• 3.5.5 動(dòng)態(tài)載荷下小腿有限元模型優(yōu)化結(jié)果與分析49-51
• 3.5.6 準(zhǔn)靜態(tài)下脛骨與腓骨模型校核結(jié)果與分析51-52
• 3.6 本章小結(jié)52-53
• 第4章 膝關(guān)節(jié)有限元模型建立及韌帶優(yōu)化驗(yàn)證53-74
• 4.1 膝關(guān)節(jié)有限元模型的建立53-55
• 4.1.1 幾何模型53-54
• 4.1.2 網(wǎng)格劃分54
• 4.1.3 膝關(guān)節(jié)有限元模型的材料定義54-55
• 4.2 韌帶模型的優(yōu)化驗(yàn)證55-58
• 4.2.1 韌帶仿真模型的建立55-57
• 4.2.2 優(yōu)化流程和方法57-58
• 4.3 膝關(guān)節(jié)模型的建立58-61
• 4.3.1 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲模型的建立59-60
• 4.3.2 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎剪模型的建立60-61
• 4.4 韌帶優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果與分析61-71
• 4.4.1 高速拉伸下MCL仿真模型優(yōu)化結(jié)果與分析61-63
• 4.4.2 MCL失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析63
• 4.4.3 高速拉伸下LCL仿真模型優(yōu)化結(jié)果與分析63-65
• 4.4.4 LCL失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析65-66
• 4.4.5 高速拉伸下ACL仿真模型優(yōu)化結(jié)果與分析66-68
• 4.4.6 ACL失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析68
• 4.4.7 高速拉伸下PCL仿真模型優(yōu)化結(jié)果與分析68-70
• 4.4.8 PCL失效應(yīng)變優(yōu)化結(jié)果與分析70
• 4.4.9 低速拉伸下韌帶模型校核結(jié)果與分析70-71
• 4.5 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析71-73
• 4.5.1 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)四點(diǎn)彎曲結(jié)果分析71-72
• 4.5.2 膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎剪結(jié)果分析72-73
• 4.6 本章小結(jié)73-74
• 第5章 下肢有限元模型的驗(yàn)證74-80
• 5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置74-76
• 5.2 仿真設(shè)置76-77
• 5.3 仿真結(jié)果與分析77-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 總結(jié)與展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-87
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄87-88
• 致謝88

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6 陳賓;人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后下肢長度的變化及影響因素[D];鄭州大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：1060124