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有限元法分析不同侧方跌倒角度下股骨颈骨折裂纹扩展的断裂力学特征
背景:目前骨折发生机制的分析主要通过分析静态受力分布(Von Mises应力云图)来判断应力集中部位,预测骨折发生的起始点.然而骨骼是各向异性的弹塑性材料,传统准静态有限元分析无法给出具体断裂起始点及骨折发生发展过程.因此,在骨科有限元研究领域引入断裂力学的概念是具有实际意义的.目的:模拟不同侧方跌倒角度对股骨颈骨折裂纹扩展的影响.方法:选取1名健康志愿者的股骨原始CT数据,导入Mimics 19.0软件,经区域增长、编辑笼罩、光滑、包裹等重建股骨近端三维有限元模型,并在Hypermesh 14.0中进行网格划分、定义材料属性、设定边界条件、加载载荷,模拟股骨中立位0°、内旋30°、外旋30°、内收30°跌倒状态等前处理,将生成的K文件导入LS-DYNA求解器中运算.结果与结论:①股骨内收模型早发生股骨颈断裂失效,外旋模型迟;②4种模型的应力集中及骨质断裂均早出现在股骨颈外上侧,内下侧继而出现裂纹并与之相融合,形成GardenⅡ 型骨折;③股骨颈骨折Linton角以内收模型小,外旋模型其次,中立位模型与内旋模型差异无显著性意义(P=0.387);④股骨颈外上侧为压力侧,内下侧为张力侧;除内收模型,其余模型的股骨颈内下侧可出现压力向张力转换的应力分布;⑤提示不同侧方跌倒角度在时间和空间上会影响股骨颈骨折裂纹扩展行为.
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植入用Ti-6Al-4V合金模拟体液浸泡后高频和超高周疲劳性能
目的 为预测植入用Ti-6Al-4V钛合金的使用寿命,研究其在模拟体液浸泡后,10~7周次以后的超高周疲劳性能.方法 将Ti-6Al-4V钛合金试样在模拟体液中分别浸泡2d和6d;利用超声疲劳实验技术,在室温下分别对这两组试样进行超高周疲劳性能测试;利用电子显微镜观察疲劳断口并对裂纹源进行X射线能谱分析,研究其裂纹萌生机理,并与未经浸泡的同种材料的超声疲劳性能进行对比分析.结果 模拟体液浸泡后的材料的S-N曲线与未经浸泡时的趋势相近,在10~4-10~8周次范围内的疲劳寿命都呈连续下降状态,在10~7-10~8周次循环范围内曲线下降趋势有所变慢;模拟体液浸泡后的试样在10~7周次之前寿命下降更快,10~7周次之后模拟体液浸泡过的试样寿命比未处理的试样寿命低;浸泡6d后的试样的寿命和浸泡2d后的相差不大.疲劳循环超过10~7周次后,仍然发生疲劳断裂,并不存在传统意义上的疲劳极限.疲劳寿命10~8周次以后的试样疲劳裂纹在内部萌生,一般为铝元素聚集区;疲劳寿命10~7周次以前裂纹一般萌生于试件表面,有些试件出现了多处裂纹源.结论 模拟体液浸泡会降低Ti-6Al-4V钛合金的超高周疲劳性能;随着循环周次的增加,裂纹萌生由试件表面向其内部转换.
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双层片层裂机制的研究
从断裂力学的角度,建立三点单边切口弯曲试验方法,测定微晶纤维素(MCC)和一水乳糖(LM)的临界应力强度因子(KIIC0),以及MCC和LM组成的双层片的远场应力强度因子(K∞ICO)和界面临界应力强度因子(KIFIC).比较上述参数的大小,探索弹性错配对层裂的影响.结果表明,KIFIC＜K∞IC0＜KIIC0,说明MCC和LM制成的双层片存在层裂倾向,三点单边切口弯曲试验方法能预测双层片的层裂倾向.
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基于Hypermesh/LS-DYNA仿真股骨干中上1/3骨折的断裂分析
目的 运用工程力学软件Hypermesh与LS-DYNA对股骨有限元模型进行断裂力学分析,仿真股骨干中上1/3骨折的移位情况并与真实的进行对照.方法 选取1例股骨干中上1/3骨折患者的健侧股骨影像学CT资料导入Mimics软件,通过区域增长、编辑笼罩、光滑包裹重建股骨健侧的三维有限元模型,将股骨模型在Hypermesh中进行有限元网格划分、定义材料属性、设定边界条件,加载受力曲线与作用点等前处理,生成的K文件导入求解器LS-DYNA中运算.结果 股骨干骨折且骨折近端呈屈曲、外展、外旋移位,骨折远端向内侧移位呈现短缩畸形,且节点位移图中可见断端随着外旋、内收肌的不断牵拉,位移呈线性增加,X轴正向为骨折近端有限元节点位移,X轴负向为骨折远端节点位移,可以看出骨折远端较骨折近端位移大;同时,在Von Mises云图上股骨颈以及股骨转子间周围出现应力集中,与临床上股骨干骨折合并股骨转子间或股骨颈骨折高度一致.结论 基于Hypermesh/LS-DYNA的断裂力学分析原理可以很好地应用在创伤骨科领域.
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基于断裂力学模拟3种不同跌倒状态下股骨近端骨折的有限元分析
目的 运用断裂力学分析方法,探究3种不同边界条件下模拟跌倒的佳有限元模型.方法 将1例老年股骨颈骨折健侧髋关节以及大腿螺旋CT的DICOM格式影像资料导入Mimics中三维重建出股骨模型,将模型导人Hypermesh中设置材料属性,定义3种不同的仿真跌倒状态下的边界条件:股骨长轴与水平线成30°同时股骨颈施加垂直载荷(A)、股骨长轴与水平线成10°同时股骨颈施加垂直载荷(B)、股骨长轴与水平线成25°同时垂直股骨颈施加水平载荷(C),采用LS-DYNA软件对3种模型运算分析.结果 相同大小的载荷下,断裂力学分析A组模型出现股骨颈骨折、B组股骨大结节处骨折、C组股骨干上段骨折;Von Mises应力云图分析:A组模型的应力主要集中在股骨颈部位,股骨转子间以及股骨干应力很小;B组模型中主要应力集中于股骨大结节处(也是有限元模型中固定限制的节点),C组模型应力集中在股骨颈以及股骨干部位.结论 基于Hypermesh/LS-DYNA断裂力学软件环境下,A组边界条件的模型仿真跌倒更具有可信度.
