隨著汽車保有量和交通事故的迅速增加,碰撞損傷生物力學(xué)的研究逐漸受到了科研人員的重視。有限元方法作為研究生物組織碰撞損傷的有效工具,對腦組織耐受限度以及損傷機(jī)理的研究具有極其重要的意義。然而,在使用有限元方法重現(xiàn)腦組織碰撞損傷的過程中,需要嚴(yán)格設(shè)定相應(yīng)組織材料的關(guān)鍵性力學(xué)參數(shù)。只有給定了準(zhǔn)確的腦組織材料力學(xué)參數(shù),才能夠根據(jù)有限元技術(shù)得到切合實(shí)際的碰撞損傷過程以及損傷數(shù)據(jù),以更加精確的研究腦組織在碰撞過程中的力學(xué)響應(yīng)。然而,受到實(shí)驗(yàn)條件以及腦組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等因素的限制,很難通過實(shí)驗(yàn)的方法直接獲取腦組織的關(guān)鍵性力學(xué)參數(shù),只能使用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄩg接獲取。因此,基于有限元方法的材料參數(shù)反求技術(shù)日益成為參數(shù)獲取的重要手段。本文從碰撞損傷生物力學(xué)的角度出發(fā),將腦組織無約束壓縮實(shí)驗(yàn)、光滑有限元技術(shù)以及計(jì)算反求技術(shù)結(jié)合起來,力求在基于光滑有限元方法的腦組織參數(shù)反求領(lǐng)域開展一些有意義的研究工作并獲取一套較為準(zhǔn)確的腦組織本構(gòu)模型參數(shù),提高腦組織有限元仿真模型的精度�；诖怂悸�,本文開展了如下工作:(1)開展了基于不規(guī)則腦組織試樣的無約束壓縮實(shí)驗(yàn),并獲取了實(shí)驗(yàn)試樣的三維幾何模型和壓縮力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用萬能試驗(yàn)機(jī)、手持式三維掃描儀以及力學(xué)傳感器等設(shè)備,開展了腦組織的真實(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)并獲取了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為后續(xù)計(jì)算反求算法的開展提供必要的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),研究了腦組織在壓縮工況下的壓縮力隨時(shí)間的變化特性,確定并推導(dǎo)了腦組織的本構(gòu)關(guān)系以作為自編代碼中腦組織的本構(gòu)模型。(2)研究了面向腦組織無約束壓縮的光滑有限元方法,并使用仿真實(shí)例驗(yàn)證了代碼的準(zhǔn)確性,為腦組織本構(gòu)模型參數(shù)反求提供了有效的正問題求解器。為了保證腦組織無約束壓縮實(shí)驗(yàn)正問題能夠有效地得到真實(shí)的材料響應(yīng),基于超彈性本構(gòu)模型與粘彈性本構(gòu)模型相結(jié)合的方式,借助光滑有限元技術(shù)構(gòu)建了腦組織無約束壓縮實(shí)驗(yàn)的仿真代碼。另外,為了驗(yàn)證仿真代碼的準(zhǔn)確性與可行性,分別使用仿真代碼和商業(yè)軟件開展了標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件以及不規(guī)則的腦組織試件在同種工況下的仿真分析并分別對比了仿真的形變結(jié)果數(shù)據(jù)以及壓縮力結(jié)果數(shù)據(jù)。對比結(jié)果表明,仿真代碼與商業(yè)軟件的仿真結(jié)果十分接近,仿真代碼能夠正確描述試樣在壓縮過程中的形變結(jié)果和壓縮力結(jié)果。因此,仿真代碼具有較高的仿真準(zhǔn)確性并且可以作為腦組織本構(gòu)模型參數(shù)反求的正問題。(3)基于敏感性分析確定了腦組織本構(gòu)中的待反求參數(shù),并結(jié)合光滑有限元仿真和遺傳算法進(jìn)行了腦組織本構(gòu)模型的參數(shù)反求。首先,采用了遺傳算法作為參數(shù)的反求算法,在確保反求效率的前提下提高反求參數(shù)結(jié)果的精度。其次,為了保證參數(shù)反求結(jié)果的可靠性,分別分析了超彈性待反求參數(shù)以及粘彈性待反求參數(shù)的敏感性。再次,根據(jù)試算法確定了恰當(dāng)?shù)姆辞髤^(qū)間,并對腦組織的本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了反求。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R318.01
【部分圖文】：

在無約束壓縮實(shí)驗(yàn)的相關(guān)儀器設(shè)備調(diào)試完成以后，將豬腦組織從５°Ｃ的生理鹽水??中提取出來并即刻使用經(jīng)過多重消毒后的外科手術(shù)刀切割腦組織以制備實(shí)驗(yàn)試樣，??最終得到的腦組織實(shí)驗(yàn)試樣如圖２．１所示。??Ｑ?〇?＾?Ｉ?ＨＰ?０?°?〇??￥?乂私??Ｉ?？?９?１?％＠??圖２．１腦組織實(shí)驗(yàn)試樣??隨后，借助手持式三維掃描儀來獲取實(shí)驗(yàn)試樣復(fù)雜的三維幾何模型，使用刻??度盤以簡單的測量試樣的幾何尺寸，為后續(xù)腦組織的光滑有限元模型構(gòu)建提供必??１１??

驗(yàn)試樣外表面后會發(fā)生光的反射和折射。這些光線的反射以及折射信息將會被掃??描儀接收，然后將這些信息轉(zhuǎn)化為腦組織實(shí)驗(yàn)試樣的數(shù)字幾何模型，得到的腦組??織實(shí)驗(yàn)試樣三維幾何模型如圖２．２所示。另外，為了避免腦組織離體時(shí)間過長而??使其生物力學(xué)特性產(chǎn)生較大的變化，上述各項(xiàng)操作應(yīng)盡可能快的完成并及時(shí)開展??腦組織的無約束壓縮實(shí)驗(yàn)。??圖２．２腦組織三維幾何模型??２．２．２無約束壓縮實(shí)驗(yàn)裝置??腦組織的無約束壓縮實(shí)驗(yàn)是在湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)??驗(yàn)室開展的。其中，使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為材料性能試驗(yàn)機(jī)，如圖２．３所示。材料性??能試驗(yàn)機(jī)能夠開展材料的壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、剪切實(shí)驗(yàn)以及彎曲實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)??驗(yàn)。材料性能試驗(yàn)機(jī)是由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電腦系統(tǒng)等部分構(gòu)??成，能夠充分發(fā)揮各個(gè)組成部分的優(yōu)勢，具有速度調(diào)節(jié)范圍較寬、實(shí)驗(yàn)精度較高、??儀器結(jié)構(gòu)較為緊湊、實(shí)際操作較為簡便以及設(shè)備性能較為穩(wěn)定等優(yōu)勢并且能夠?qū)??時(shí)的對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄顯示。萬能試驗(yàn)機(jī)可以很好地完成塑料材料、橡膠材料、??紙質(zhì)材料、紡織材料以及防水材料等材料試樣以及成品件的壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、??彎曲實(shí)驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)驗(yàn)。??１２??

驗(yàn)試樣外表面后會發(fā)生光的反射和折射。這些光線的反射以及折射信息將會被掃??描儀接收，然后將這些信息轉(zhuǎn)化為腦組織實(shí)驗(yàn)試樣的數(shù)字幾何模型，得到的腦組??織實(shí)驗(yàn)試樣三維幾何模型如圖２．２所示。另外，為了避免腦組織離體時(shí)間過長而??使其生物力學(xué)特性產(chǎn)生較大的變化，上述各項(xiàng)操作應(yīng)盡可能快的完成并及時(shí)開展??腦組織的無約束壓縮實(shí)驗(yàn)。??圖２．２腦組織三維幾何模型??２．２．２無約束壓縮實(shí)驗(yàn)裝置??腦組織的無約束壓縮實(shí)驗(yàn)是在湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國家重點(diǎn)實(shí)??驗(yàn)室開展的。其中，使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為材料性能試驗(yàn)機(jī)，如圖２．３所示。材料性??能試驗(yàn)機(jī)能夠開展材料的壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、剪切實(shí)驗(yàn)以及彎曲實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)??驗(yàn)。材料性能試驗(yàn)機(jī)是由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電腦系統(tǒng)等部分構(gòu)??成，能夠充分發(fā)揮各個(gè)組成部分的優(yōu)勢，具有速度調(diào)節(jié)范圍較寬、實(shí)驗(yàn)精度較高、??儀器結(jié)構(gòu)較為緊湊、實(shí)際操作較為簡便以及設(shè)備性能較為穩(wěn)定等優(yōu)勢并且能夠?qū)??時(shí)的對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄顯示。萬能試驗(yàn)機(jī)可以很好地完成塑料材料、橡膠材料、??紙質(zhì)材料、紡織材料以及防水材料等材料試樣以及成品件的壓縮實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、??彎曲實(shí)驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)驗(yàn)。??１２??
【參考文獻(xiàn)】

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4 夏百戰(zhàn);于德介;姚凌云;;二維多流體域耦合聲場的光滑有限元解法[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);2012年06期

5 彭雄奇;堵同亮;郭早陽;;機(jī)織復(fù)合材料各向異性超彈性本構(gòu)模型[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年20期

6 何智成;李光耀;成艾國;鐘志華;周澤;;光滑有限元的聲學(xué)研究:時(shí)域和頻域分析[J];振動(dòng)與沖擊;2012年16期

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本文編號：2858703