本文關(guān)鍵詞：成年人腰椎三維動力學模型設(shè)計與性能分析的基礎(chǔ)研究　出處：《北京化工大學》2014年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：脊柱相關(guān)疾病研究是一門新興的學科。脊椎病是指脊柱由于力平衡失調(diào)或其周圍軟組織炎癥而產(chǎn)生病變。目前,脊椎病已成為常見病和高發(fā)病,并且呈現(xiàn)出低齡化的趨勢。因此,脊椎類疾病的防治與治療越來越受到社會的重視。有限元方法是理論生物力學研究中最有效的應(yīng)力分析方法,與實驗生物力學方法相比,有限元法在可替代性、可重復(fù)性及可控性等方面具有獨特的優(yōu)越性。 本課題的主要研究內(nèi)容是利用一種新方法進行人體腰椎段的建模,根據(jù)所查閱文獻中獲取的脊柱各結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),建立人體脊柱L3-L5段三維幾何模型,利用有限元分析軟件ANSYS進行了腰椎的力學性能分析,并采用3D打印的加工方法加工出腰椎實體模型,主要工作內(nèi)容如下： (1)腰椎L3-L5段幾何模型的建立。根據(jù)所查閱人體解剖學文獻,得到成年男性腰椎L3-L5段各結(jié)構(gòu)外形數(shù)據(jù),運用SolidWorks分別建立腰椎的各部分結(jié)構(gòu),包括椎骨、椎間盤、小關(guān)節(jié)等,將各部分進行組合、裝配,使得椎間盤與椎骨制件緊密貼合,并保持腰椎模型的前彎角度與生理彎曲角度一致,以便于后續(xù)ANSYS分析中進行加載與約束。 (2)腰椎L3-L5段有限元模型的建立。將SolidWorks中建立的三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS WorkBench中,進行前處理。在設(shè)置材料屬性時,腰椎各部分結(jié)構(gòu)的材料屬性都不相同,其彈性模量呈梯度變化趨勢。 (3)腰椎L3-L5段力學特性分析。完成有限元建模后,在軟件中對該模型施加不同的力、力矩,通過Solve模塊求解,在Solution中查看其應(yīng)力應(yīng)變情況。本文分別模擬腰椎直立位受壓、側(cè)屈以及腰椎前彎時椎骨與椎間盤的應(yīng)力應(yīng)變情況。得出如下結(jié)論：當腰椎承受軸向壓力為500N時,椎骨的最大變形量為1.107mm,隨著軸向壓力的增大,椎骨的最大變形量也隨之增加；當腰椎受到側(cè)向力矩為2.5Nm時,椎骨L3上表面發(fā)生的側(cè)屈角位移為1.2°：腰椎負重100N前彎過程中,當前彎角度為30°時,椎間盤的最大應(yīng)力為2.78MPa,椎骨的最大變形為6.870mm。隨著前彎角度的增加,椎間盤的應(yīng)力與椎骨的變形均會增加。 (4)模型加工與測試。首先將模擬結(jié)果與前人實驗數(shù)據(jù)作對比,驗證其準確性。同時將所建腰椎三維模型利用3D打印方法加工出實體模型,所用材料為ABS,進行模型精度測試。將得到以下結(jié)論：3D打印出的模型分辨率較好,表面無毛刺,但是打印速度與打印精度仍需提高。腰椎有限元模型的力學性能測試與前人實驗結(jié)果相符,說明本文所建腰椎模型是有效的,可以反映人體真實情況。 本文的研究成果不僅對脊柱生物力學研究提供了量化參考依據(jù),而且為3D打印人工骨骼應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)提供理論依據(jù),也為開發(fā)出新的3D打印材料(復(fù)合材料、功能性梯度材料等)提供幫助,從而推動脊柱相關(guān)疾病治療研究向更加深入的層面發(fā)展。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R681.5;TP391.7

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