建立了L4/L5段人體腰椎關(guān)節(jié)的非線性多孔彈性有限元模型,并對其施加1000N振動載荷1h,考察在不同的振動頻率（1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz）下腰椎關(guān)節(jié)的變形、應(yīng)力分布和體液流動情況;并對不同頻率作用下脊椎組織的生物力學(xué)特性進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,在不同頻率振動載荷下,脊椎模型的應(yīng)力分配、體液流量都呈現(xiàn)與振動載荷不同的周期性波動變化。振動載荷頻率等于腰椎關(guān)節(jié)的固有頻率11.5Hz時,椎間盤應(yīng)力分配和體液流量波動的幅值最短;而振動頻率為4Hz、8Hz、15Hz時各項指標(biāo)波動的幅值比11.5Hz時小。振動過程中,椎間盤內(nèi)外壓力梯度的變化引起體液的流動,振動時間越長,總流失量越大。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2020,37(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖階段椎間盤體液的流速矢量圖(porefluideffectivevelocityofthediscundervibration(porefluideffectivevelocityofthediscatunloadingstepf=15Hzf=15Hz(a)1Hz、8Hz、

226應(yīng)用力學(xué)學(xué)報第37卷荷作用下椎間盤關(guān)節(jié)的變形和應(yīng)力分布情況，并且考察振動載荷作用下體液的流量及流速變化情況。2研究方法和步驟利用ABAQUS6.10建立L4/L5段腰椎關(guān)節(jié)及其后部單元的多孔彈性特性有限元模型，并對模型在振動載荷(1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz)下進(jìn)行仿真分析。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對椎體變形、應(yīng)力分配、椎間盤中的體液流動情況進(jìn)行對比研究。2.1建模本次研究是在以往研究的基礎(chǔ)上去掉L1-L3椎體關(guān)節(jié)，即本模型包括L4-L5椎體關(guān)節(jié)和位于兩者之間的椎間盤，以及椎體和椎間盤之間的軟骨終板，然后對模型賦予多孔彈性特性，對比研究其在不同的振動頻率下椎體變形、應(yīng)力分配、椎間盤中的體液流動情況[4]。椎間盤的上下椎體、髓核、終板、纖維環(huán)基質(zhì)等部分相應(yīng)的賦予單元類型為20節(jié)點減縮積分二次插值單元C3D20RP，纖維環(huán)的纖維部分采用桿單元形成的桁架嵌入到纖維環(huán)基質(zhì)中的結(jié)構(gòu)形式，模型見圖1。其中θ表示椎間盤的夾角，F(xiàn)0表示后部肌肉力，站立姿勢時椎間盤的夾角θ為3.35°，F(xiàn)0為317N[4]。體液主要是在髓核、纖維環(huán)、終板和骨松質(zhì)之間流動，所以將這幾部分賦予多孔彈性材料的特性，本文所研究的椎體關(guān)節(jié)模型屬于非飽和兩相多孔介質(zhì)，各部分機構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)引自參考文獻(xiàn)[3]，見表1。表1L4/L5脊椎關(guān)節(jié)材料特性參數(shù)[3]Tab.1MaterialpropertiesforL4/L5motionsegment[3]組成(components)楊氏模量(Young’smodulus)E/MPa泊松比(Poisson’sratio)初始孔隙比(initialvoidratio)0e初始滲透率(initialpermeability)1540-1/10m(Ns)k修

228應(yīng)用力學(xué)學(xué)報第37卷現(xiàn)3個駐點，11.5Hz在500s、1300s、2200s和3000s出現(xiàn)4個駐點，15Hz在400s、1100s、1800s、2500s和3300s出現(xiàn)5個駐點。11.5Hz和15Hz下環(huán)內(nèi)的孔壓應(yīng)力在開始的300s內(nèi)也是下降的，15Hz下環(huán)的孔壓應(yīng)力波動幅值明顯小于8Hz和11.5Hz。圖51Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振動載荷作用下纖維環(huán)孔壓應(yīng)力的變化Fig.5Variationofporepressureoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hz,15Hz從圖6振動載荷作用下纖維環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力變化曲線可以看出：纖維環(huán)有效應(yīng)力總體都呈下降趨勢，1Hz下纖維環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力不斷降低最后達(dá)到0.08MPa；4Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力前500s內(nèi)降低到0.15MPa，隨后逐漸增加到2500s的0.23MPa，然后又開始呈現(xiàn)下降趨勢；8Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力波動降低，分別在900s、1700s和3000s出現(xiàn)3個駐點；11.5Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力先上升然后波動降低，分別在500s、1400s、2000s和3000s出現(xiàn)4個駐點；15Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力也是先上升然后波動降低，分別在350s、1100s、1800s、2500s和3200s出現(xiàn)5個駐點。圖61Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振動載荷作用下纖維環(huán)有效應(yīng)力的變化Fig.6Variationofeffectivestressoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hzand15Hz從圖2~圖6可以發(fā)現(xiàn)，在不同頻率的振動載荷作用下，椎間盤的體液流量、應(yīng)力分配都呈現(xiàn)一定的周期性，而這個周期與振動載荷的周期是完全不同的。以上數(shù)據(jù)均是每隔100s定點輸出的。實際上，振動載荷作用下的各項數(shù)值的變化是與載荷的頻率密切相

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]低頻振動作用下人體椎間盤多孔彈性單元的研究[J]. 李睿,郭立新.  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2013(04)



本文編號：3021178