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皮质骨试样制备及其材料参数识别方法研究
有限元方法已经成为损伤生物力学研究的重要手段,准确的皮质骨材料本构参数对研究人体冲击损伤和人工骨骼等医学问题具有重要意义.基于长骨皮质骨的生理结构,提出批量制备高精度规则试样的加工方法,并开展准静态三点弯曲试验;采用基于梁理论和基于特定样本有限元模型优化反求两种方法,研究皮质骨材料的各向异性和区域差异,并通过线性回归分析建立两种识别方法所得材料参数的回归模型.制备横向和轴向试样各16个,所提出的试样制备方法能够保证试样间的尺寸偏差不超过4％,基于梁理论方法求得的新鲜牛股骨皮质骨轴向和横向试样的杨氏模量分别为(21.70±:3.33) GPa和(14.47 ±2.10) GPa,极限应力分别为(249.21±:38.83) MPa和(106.81±21.05) MPa,极限应变分别为1.95％ ±0.35％和1.06％ ±0.20％,与文献结果吻合.对利用优化方法和梁理论方法求得的杨氏模量、屈服应力和有效塑性应变进行线性回归分析,回归模型拟合精度分别为96.4％、98.7％和89.3％ (P ＜0.05).研究结果表明,所提出的试样制备方法能够高效地加工尺寸精度较高的规则试样,并良好地保持试样的生物力学特性.在皮质骨准静态三点弯曲试验中,基于特定样本有限元模型的材料参数反求方法能够识别更准确的材料本构参数,而基于梁理论识别参数的回归模型则能够快速准确地预测皮质骨的弹性模量、屈服应力和有效塑性应变.
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三维有限元头颅模型参数及边界条件研究
目的确定三维有限元模型材料阻尼参数,实现寰枕关节模拟.方法对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载,分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力-时间曲线形态,确定模型采用的材料阻尼参数值.应用弹簧单元模拟寰枕关节,比较模拟前后,模型在冲击载荷下颅骨应力,确定弹簧单元参数.结果不同颅骨材料阻尼条件下,额部冲击区域颅骨节点的von Mises应力曲线均无第2峰值,应力峰值随阻尼增大而逐渐降低,峰值出现时间后移,枕部颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著,在0.001～0.004之间颅骨应力曲线形态佳.模拟寰枕关节,弹簧单元采用颅骨材料参数,在X、Y轴方向弹簧弹性系数10N/mm,Z轴方向的为20N/mm,颅骨应力曲线后期可下降.结论颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响.模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响.采用三维弹簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力,模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影响较颅骨材料阻尼系数的影响小.
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足部相关肌肉、肌腱组织材料弹性模量的测定
背景：目前，几乎所有足部三维有限元模型的材料参数均来自国外研究，尚未见有关国人组织材料参数的测量与报道。目的：对国人足部的相关肌肉、肌腱材料做测量，获得初步的参数数据。方法：解剖成年女性左小腿足新鲜标本拇长屈肌及其肌腱、拇短屈肌内外侧头、拇长伸肌及其肌腱、拇收肌横头及斜头、拇展肌，分别测量和计算各试样的截面积和位于夹具之间的长度并记录数值，将标本加载载荷，1个测样反复测量4次，采集强度极限、大载荷等数据，以及载荷-位移曲线。根据胡克定律，计算各标本的弹性模量。结果与结论：共得到了包括拇长伸肌、拇长屈肌、拇收肌、拇展肌横头和斜头、拇短屈肌内外侧头、拇长屈肌腱、拇长伸肌腱9个样本的相关测量数据，主要包括长度、宽度、厚度、横截面积、大载荷、强度极限和弹性模量。
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基于汽车碰撞损伤的人体胸部有限元模型构建与验证
目的 利用胸部有限元模型预测与评估碰撞载荷下胸部生物力响应与损伤机理.方法 利用CT和MRI图像数据对胸部骨骼与内部软组织进行几何重建,并划分网格.模型的生物组织材料参数与材料本构模型基于文献尸体实验与组织材料实验.结果 对模型进行前碰撞与侧碰撞仿真实验验证,结果表明胸部接触力、胸部位移量、力与位移曲线与尸体实验吻合较好,并利用胸部位移量、黏性准则对仿真过程进行损伤评估.结论 模型可满足汽车碰撞安全中胸部损伤机理与防护及医学胸部钝器损伤的仿真研究需要.
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有限元分析中软组织力学参数的设定及验证
目的 提供软组织超弹性材料参数并探讨优化方法,为有限元分析( finite element analysis,FEA)冲击研究中软组织显式求解的准确模拟提供参考.方法 测定6具足底软组织标本抗压性能,以实验数据计算FEA材料参数,利用泊松比对材料参数进行优化.设置与体外实验相同工况的FEA模型进行模拟.利用实验及文献报道数据对模拟结果进行验证.结果 软组织体外实验中力-位移曲线呈指数增长.FEA模拟与实验结果相比,压缩率≤45％时,结果相一致；在压缩率＞45％时,材料泊松比愈接近0.5,FEA模拟的准确性越高.泊松比为0.497时,FEA模拟与体外实验结果有较强线性相关关系( R2=0.9923).结论 本研究中材料参数模拟效果良好.在较低压缩率下,计算结果与体外实验的结果相一致；在较高压缩率下,提高材料泊松比可增加FEA模拟准确性.
