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有限元分析中软组织力学参数的设定

发布于:2016-09-27 22:51
有限元分析

      有限元分析在生物力学研究中的应用越来越广泛,用于模拟冲击、碰撞等较短时间内动态过程的显式求解方法也越来越受到重视。目前此种求解方法主要应用于膝关节的瞬时冲击,交通工具对人体不同部位的撞击跌倒,瞬间股骨近端和骨盆等所受冲击以及运动中足部结构所受冲击等方面,对理解动态过程中各部位的受力状态及致伤机制有重要作用。对于模拟生物体在冲击状态下的受力情况研究,目前较多关注于相关骨与关节的力学分布状态,而对于其周围起重要力传递作用的皮肤及皮下组织的FEA模拟精确性关注较少。软组织抗压机械性能模拟的准确性将直接影响整体模型FEA结果的准确性。因此,有必要对皮肤及皮下组织的FEA相关参数进行有效设定,并对其FEA模拟准确性进行验证。
      本研究以常用的FEAApp为工作平台,以足跟部皮肤(皮下组织复合体作为实验对象,对其抗压机械性能进行测定,并根据实验数据对软组织的FEA相关参数进行设定,最后结合实验数据对FEA模拟结果进行验证,为相关研究提供有效的软组织FEA参数计算方法;并先容如何优化参数以提高计算准确度,为相关人体冲击的FEA研究提供参考。
      利用超弹性材料属性定义软组织时,在高压缩率情况下,软组织的有效刚度与体外实验相比偏小,这在本实验以等的研究中均可观察到。简化的 FEA 模型和使用具有标准化性质的名义应力及名义应变计算材料参数可能是造成此问题的主要原因。
      软组织中液体含量较大且近似具有不可压缩材料特性,所以将模型赋予各向同性特性超弹性材料属性是目前FEA中对软组织常用的简化方法。利用现有App所定义的超弹性材料本构方程对软组织进行定义,并根据实验测量的软组织抗压缩性能所获取材料参数对模型进行赋值运算是当前软组织FEA 模拟中的常用做法。此方法可获取与实验状态下具有相同走行趋势的 FEA 输出结果,具有较好的模拟性能,但其 FEA 模拟结果的准确性却有待提高。
      本实验对皮肤(皮下组织复合体进行软组织单轴压缩性能测试,与橡胶等超弹性材料测试主要利用单轴和双轴拉伸实验不同,这主要与软组织的具体性质有关。一方面,对软组织进行拉伸实验较困难; 另一方面,软组织脂肪含量丰富,在压缩过程中接触面的摩擦阻力对材料性能几乎不造成影响,故本实验选择单轴压缩实验对软组织材料性质进行测试。在模拟脂肪等结缔组织的超弹性材料属性时,多用二阶的polyminan非线性超弹性模型。本实验证明,利用功能进行超弹性材料参数计算和曲线估计时,二阶 polyminan拟合曲线与实验曲线几乎完全重合,说明应用此种模型的合理性。


                                                                                  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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