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髋关节有限元分析模型的建立与生物力学研究

发布于:2016-04-14 20:59
有限元分析

      近年来,医学与工程力学的结合,使分析有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段,逐渐应用到医学领域。随着计算机技术的发展,三维非线性有限元App的开发,有限元分析能够精确分析骨骼假体的内部应力分布及定量分析应力集中等。
      髋关节是人体重要承重关节,其骨折创伤程度重,无论保守治疗还是手术治疗经常由于复位不完全,出现股骨头坏死或骨关节炎等严重后果。传统的生物力学研究从不同的角度分析了髋关节的生物力学,并从不同侧面提出了髋关节骨折的治疗方法。由于髋关节形状和结构的复杂性和特殊性,本研究旨在探讨利用CT扫描技术,取得正常髋关节的各种结构的三维坐标值,在有限元分析App中采用实体建模,从而建立起正常髋关节的有限元模型,并对材料特性和网格大小等参数设定进行探讨,以期为髋关节损伤的相关研究提供多维思路,进一步丰富髋关节生物力学行为的研究手段。导入有限元构建AppSolidWorks2006中,进行三维有限元网格划分。髋关节的网格划分完全按照实际的剖解构造进行,根据髋关节几何形状的特殊要求,采用三维十结点四面体实体单元,共划分为121239个结点、112491个单元。从CT扫描得到平面图像经加工处理后获得髋关节的几何坐标,利用实体建模法,经合理设立参数与网格化,建立了正常髋关节的完整的三维有限元模型。
      有限元分析方法目前已被广泛应用于生物医学领域,它可以通过CT或MRI扫描从活体组织提取相应的数据,由于影像学技术的快速发展,通过扫描所获得的数据很准确,据此而建立的几何模型接近于真实。建模时应根据具体情况,由实体建模和直接建模两种方式选择建模方法,并可利用工作平面来辅助建模,以提高建模的精确性。尤其是三维模型,将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难。在进行网格划分之前,应先行定义单元属性,设置网格生成选项,网格划分前保留数据库,最后进行网格划分。
      以往对髋臼和股骨颈进行有限元分析,鉴于其形状复杂,一般均对其作简化处理,分析的结果必然引起误差。本研究通过CT扫描、即时存储,避免了数据收集过程中关键信息的丢失。更重要的是,实现了整个建模过程的全数字化,最大程度上保证了建模的准确性和精确性。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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