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(duì)其施加1000N振動(dòng)載荷1h,考察在不同的振動(dòng)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(dòng)情況;并對(duì)不同頻率作用下脊椎組織的生物力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,在不同頻率振動(dòng)載荷下,脊椎模型的應(yīng)力分配、體液流量都呈現(xiàn)與振動(dòng)載荷不同的周期性波動(dòng)變化。振動(dòng)載荷頻率等于腰椎關(guān)節(jié)的固有頻率11.5Hz時(shí),椎間盤應(yīng)力分配和體液流量波動(dòng)的幅值最短;而振動(dòng)頻率為4Hz、8Hz、15Hz時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)波動(dòng)的幅值比11.5Hz時(shí)小。振動(dòng)過(guò)程中,椎間盤內(nèi)外壓力梯度的變化引起體液的流動(dòng),振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),總流失量越大。 

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

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【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(bào)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(dòng)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(duì)模型在振動(dòng)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(duì)椎體變形、應(yīng)力分配、椎間盤中的體液流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)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(duì)模型賦予多孔彈性特性，對(duì)比研究其在不同的振動(dòng)頻率下椎體變形、應(yīng)力分配、椎間盤中的體液流動(dòng)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(diǎn)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(shì)時(shí)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(dòng)，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(jī)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(bào)第37卷現(xiàn)3個(gè)駐點(diǎn)，11.5Hz在500s、1300s、2200s和3000s出現(xiàn)4個(gè)駐點(diǎn)，15Hz在400s、1100s、1800s、2500s和3300s出現(xiàn)5個(gè)駐點(diǎn)。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(dòng)幅值明顯小于8Hz和11.5Hz。圖51Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振動(dòng)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(dòng)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(shì)，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(shì)；8Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力波動(dòng)降低，分別在900s、1700s和3000s出現(xiàn)3個(gè)駐點(diǎn)；11.5Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力先上升然后波動(dòng)降低，分別在500s、1400s、2000s和3000s出現(xiàn)4個(gè)駐點(diǎn)；15Hz下環(huán)內(nèi)的有效應(yīng)力也是先上升然后波動(dòng)降低，分別在350s、1100s、1800s、2500s和3200s出現(xiàn)5個(gè)駐點(diǎn)。圖61Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振動(dòng)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(dòng)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(gè)周期與振動(dòng)載荷的周期是完全不同的。以上數(shù)據(jù)均是每隔100s定點(diǎn)輸出的。實(shí)際上，振動(dòng)載荷作用下的各項(xiàng)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(dòng)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(bào). 2013(04)



本文編號(hào)：3021178