本文關(guān)鍵詞：微觀骨裂的有限元分析方法和生物力學(xué)模型，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：骨質(zhì)疏松是一種以骨組織質(zhì)量、骨密度或者骨組織微觀結(jié)構(gòu)的減少為特征，容易引起骨折的慢性代謝性骨病。近期研究表明，骨小梁級(jí)的微觀損傷改變了骨骼的材料屬性和機(jī)械性能，因此降低了骨的韌性和強(qiáng)度。但是骨骼的微觀結(jié)構(gòu)，特別是松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)骨折的具體影響還不清楚。為了進(jìn)一步研究松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)對(duì)骨折的影響，需要建立一種能清晰表達(dá)松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的微觀三維有限元模型——基于顯微電腦斷層掃描（即microCT scan或μCT scan）的三維有限元模型。但是，求解這種模型，涉及到求解幾十萬(wàn)以上節(jié)點(diǎn)的大型線性方程組的問(wèn)題。本文尋找一種高效的數(shù)值方法求解人體松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。 本文建立了兩種表達(dá)人體松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型：基于人體骨骼顯微CT掃描的真實(shí)有限元模型和基于CAD建模的理想有限元模型。每種模型分別建立了不同大小的多個(gè)模型，模型分別使用4點(diǎn)線性四面體單元和10點(diǎn)二次四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。使用有限元軟件MSC Marc對(duì)上述模型進(jìn)行求解，并研究Marc提供的多種矩陣求解器對(duì)不同大小、幾何結(jié)構(gòu)和不同單元類型的模型的求解準(zhǔn)確性和效率，以及這些因素對(duì)求解效率的影響。主要得到以下結(jié)論： 1. Marc的不同矩陣求解器運(yùn)算出的應(yīng)力值完全相同。求解效率最高的是迭代稀疏矩陣求解器。 2.對(duì)于顯微CT掃描的真實(shí)松質(zhì)骨微觀模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)在5萬(wàn)到62萬(wàn)范圍內(nèi)，迭代求解器比直接求解器效率高。隨著模型的變大，各個(gè)方法的效率不隨之增大。內(nèi)存的存儲(chǔ)限制直接影響了直接求解器的表現(xiàn)。 3.元素類型的改變影響了各個(gè)方法計(jì)算效率。對(duì)于10點(diǎn)四面體單元的松質(zhì)骨微觀模型，效率最高的仍然是迭代稀疏求解器。 4.本文所建立的理想模型和真實(shí)模型的許多參數(shù)相近，如半帶寬和最大連接數(shù)，，各個(gè)求解器的效率高低的趨勢(shì)相似，理想化的模型的計(jì)算成本相對(duì)于較低。在一定程度上，理想模型可以輔助研究顯微CT模型研究計(jì)算效率。
【關(guān)鍵詞】：有限元分析 生物力學(xué)模型 松質(zhì)骨 矩陣求解器 計(jì)算效率
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R318.01;R580
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 骨質(zhì)疏松與髖部骨折10-11
• 1.2 有限元方法在研究骨折問(wèn)題的發(fā)展11-13
• 1.3 有限元方法在研究微觀模型中存在的問(wèn)題13-16
• 1.4 研究目標(biāo)和主要內(nèi)容16-17
• 第2章 微觀有限元模型的優(yōu)化求解分析17-28
• 2.1 微觀有限元模型中剛度矩陣的特性17-19
• 2.1.1 稀疏性17-18
• 2.1.2 帶狀分布18
• 2.1.3 對(duì)稱性18-19
• 2.2 存儲(chǔ)方法分析19-22
• 2.2.1 稀疏存儲(chǔ)法19-20
• 2.2.2 輪廓存儲(chǔ)法20-21
• 2.2.3 稀疏存儲(chǔ)法和輪廓存儲(chǔ)法的比較21-22
• 2.3 矩陣求解器分類與分析22-27
• 2.3.1 MARC 中的矩陣求解器分類22-23
• 2.3.2 直接求解器23-24
• 2.3.3 迭代求解器24-27
• 2.3.4 混合求解器27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第3章 微觀有限元模型的建模和求解28-44
• 3.1 兩種有限元模型28
• 3.2 模型的建立28-32
• 3.2.1 基于松質(zhì)骨顯微 CT 掃描的模型28-29
• 3.2.2 基于 CAD 建模的理想模型29-30
• 3.2.3 建模30
• 3.2.4 模型幾何結(jié)構(gòu)的選擇與比較30-32
• 3.3 前處理32-36
• 3.3.1 材料屬性32
• 3.3.2 單元類型32-33
• 3.3.3 網(wǎng)格劃分與檢查33-34
• 3.3.4 邊界條件的設(shè)定34-36
• 3.4 求解36
• 3.5 后處理36-39
• 3.5.1 CPU 時(shí)間36-37
• 3.5.2 內(nèi)存37-39
• 3.6 收斂性研究39-43
• 3.6.1 基于顯微 CT 掃描的真實(shí)模型39-42
• 3.6.2 基于 CAD 的理想模型42-43
• 3.7 本章小結(jié)43-44
• 第4章 計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率44-58
• 4.1 計(jì)算準(zhǔn)確性44-46
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果44-46
• 4.1.2 結(jié)果分析46
• 4.2 計(jì)算效率46-57
• 4.2.1 模型大小對(duì)求解器效率的影響46-53
• 4.2.2 不同單元類型對(duì)計(jì)算效率的影響53-55
• 4.2.3 幾何形狀對(duì)各個(gè)方法的影響55-57
• 4.3 本章小結(jié)57-58
• 第5章 總結(jié)與展望58-60
• 5.1 主要研究工作58
• 5.2 創(chuàng)新研究成果58-59
• 5.3 展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷65-66
• 附錄: 其他時(shí)間和內(nèi)存結(jié)果66-68

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 張文君;張春玲;;巨大節(jié)點(diǎn)數(shù)有限元運(yùn)算的波前法綜述及改進(jìn)[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2010年09期

2 彭李華;陳世榮;唐進(jìn);黃梁庫(kù);熊飛龍;;骨質(zhì)疏松股骨三維有限元模型的建立[J];中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù);2010年09期

3 宋雅偉;王昱;戎科;李廣凱;;股骨頸骨折的組織修復(fù):生物力學(xué)、數(shù)字化技術(shù)及其植入物治療[J];中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù);2010年13期

4 姚進(jìn);趙允;仲叢麗;;髖關(guān)節(jié)置換研究:Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)5年文獻(xiàn)檢索與分析[J];中國(guó)組織工程研究;2012年13期

5 鄭東;;人工髖關(guān)節(jié)置換后股骨假體周圍骨折[J];中國(guó)組織工程研究;2012年30期

6 覃小東;符俏;;人工髖關(guān)節(jié)假體的分類及設(shè)計(jì)[J];中國(guó)組織工程研究;2012年35期

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王麗珍;基于CT掃描之腰椎椎體有限元分析[D];吉林大學(xué);2007年

  本文關(guān)鍵詞：微觀骨裂的有限元分析方法和生物力學(xué)模型，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：505117