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有限元分析进行研究评估大鼠股骨的力学性能

发布于:2016-04-25 21:01
有限元分析

      航天失重所致骨丢失严重影响着航天员的身体健康,日益受到重视。而大鼠尾部悬吊实验是地面上研究失重所致骨丢失最广泛的方法之一,实验结果通常用骨密度(BMD)测量和力学测试等方法进行评估。骨骼的力学性能主要由骨骼的几何形态和材料特性等因素决定的。BMD测量能够反映材料特性,但不能完全等同于骨骼的力学性能。力学测试能够直接反映骨骼力学性能,但具有破坏性, 难以重复测试。随着计算机技术的发展,三维有限元分析逐渐用于评估骨骼的力学性能,它比BMD测量更能反映骨骼力学性能,同时能够弥补力学测试破坏性的不足,不过三维有限元分析对于大鼠尾部悬吊实验结果的评估能力还需要进行深入研究。
      由于CT数据能够精确描述骨骼的几何形态和材料特性,因此基于CT数据可以精确建立骨骼三维有限元模型。本研究基于尾部悬吊大鼠股骨的CT数据建立了股骨三维有限元模型,并将有限元分析结果与前期工作测量的BMD进行了回归分析,初步研究了基于CT数据的三维有限元分析对于大鼠尾部悬吊实验结果的评估能力。、B和C三组大鼠股骨样本的BMD、S、RS和RT的组内均值详见表。S、RS、T和RT都与BMD呈负相关,除RT外其他各个计算结果的变化趋势均能与BMD的变化趋势相对应。
      航天失重所致骨丢失的机理目前尚不清楚,但由于骨骼具有重要的生理功能,故失重骨丢失将严重影响航天员的身体健康,因此必须深入研究。不过由于航天实验的条件、技术和成本等因素的限制,失重所致骨丢失只能通过地面的模拟方法进行研究,而大鼠尾部悬吊实验是最常用的失重模拟方法之一。三维有限元分析比骨密度测量更能反映骨骼性能,同时能弥补力学测试不可重复测试的不足。因此初步研究了三维有限元分析评估大鼠尾部悬吊实验结果的能力。
      三维有限元分析的结果是由骨骼的几何形态,材料特性和边界条件所共同决定的。由于CT数据骨骼与周围软组织对比度高,能够精确描述骨骼几何形态。而且CT值与骨骼表观密度具有近似的线性关系,而骨骼表观密度与骨骼材料特性存在幂指数关系的经验公式,能够较精确的描述骨骼的材料特性。因此基于股骨的CT数据能够建立更符合股骨剖解结构的三维有限元模型,从而保证有限元分析结果的精确性。由于股骨存在个体差异性,不同股骨有限元模型的边界条件设置存在一定差别,直接比较误差较大,因此需要建立参考模型用于比较。对于同一股骨有限元网格,参考模型的几何形态和边界条件与各向同性和正交各向异性模型都相同,而材料特性的设置情况不同,同时通过RS和RT的定义能够减弱边界条件差别所带来的影响。


                                                                                  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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