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载荷作用下骨盆的相关有限元分析

发布于:2016-11-30 21:43
有限元分析

      由于骨盆的剖解结构复杂,力的传导呈各向异性,各研究者制作的骨盆标木统一性比较差等原因,用实验力学方法难以对骨盆受力作出全面而准确的分析。为进一步了解骨盆的力学性质及进行伤情分析、治疗方式选择等,骨盆的生物力学研究正在成为骨科基础研究的新热点。目前对骨盆的力学有限元分析还处于极其粗糙的阶段。有限元法因为其结果不受样本数量限制,实验误差小,重复性好等优点,正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。
      实验拟根据正常成人骨盆的PET-CT扫描数据,在MimicsApp中进行数字化三维重建,模型经必要处理后再导入ANSYSApp中进行有限元分析,分析正常骨盆在承受500 N轴向载荷时的生物力学机制。
      设计:三维有限元分析,单一样木观察。时间及地点:实验于医科大学生物力学实验室完成。材料:1例成年男性志愿者,35岁,经X射线、B超检查首先排除骨盆损伤、肿瘤、畸形等病变,进行PET-CT扫描。仪器由广州军区总医院PET-CT中心提供(Biograph 16 HR型,西门子企业,德国)。层厚1 mm,得到的二维原始图像以DICOM格式输出。骨盆的三维有限元模型建立:采用MimicsApp进行骨盆的三维重建工作,包括图像输入、分割、三维重建等步骤,结果以STL格式输出。利用FreeformApp对模型进行平滑、除噪点、铺而等修饰处理,结果以IGES格式输出。   
      将经过FreeformApp修饰后的IGES格式存贮的骨盆三维实体模型导入到有限元分析AppANSYS中,定义模型的单位,设定实常数,皮质骨被定义成厚度为1.6 mm,定义韧带等附属结构。根据耻骨联合、骸棘韧带、骸结节韧带、骸骼前韧带、骸骼后韧带(分长、短两种)等的实际剖解部位添加至三维骨盆模型中,有关附属结构的长度和附着部位与走向均参阅相关文献。这样得到一个包含骨性结构和各种韧带的完整的骨盆模型。最后定义材料属性,皮质骨、松质骨及骸骼关节软骨的弹性模量及泊松比根据标准设定,进行网格划分,最终建立需要分析的有限元模型
      至此,在ANSYSApp中得到了一个完整的骨盆有限元模型,包括骨性结构及韧带、关节App等组织。
      骨盆有限元模型的分析:假设条件:生物材料的力学特性一般都假定为均质、连续和各向同性。受力时有限元模型各单元需要有足够的稳定性,不考虑材料的受力变形。
      模型的加载方式及约束条件:需要进行模拟人体双腿直立的姿势,于是需要向骨盆施加轴向载荷。具体方式为约束双侧髓自,向骸骨椎体上表而垂直加压,压力均匀分布于各有限元结点。所加载荷大小为500 N。进入求解器,计算该加载方式卜骨盆的应力、应变及位移的分布情况和绝对值大小。计算完成后,进入ANSYSApp的有限元后处理模块,导出相关计算结果。主要观察指标:骨盆模型的应力应变及位移变化分布云图。
      设计、实施、评估者:实验设计为第一、二编辑,资料收集为第一编辑,实施及评估者为全部编辑。影响结果的因素①有限元模型是对实际情况的简化,木模型主要针对骨性结构进行分析,复杂的关节和韧带结构经过了明显的简化处理。②实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性。实际情况则恰恰相反,构成人体组织的生物材料具有各向异性,不均匀性,非线性等特征。③单元划分、节点的选择、载荷和边界条件的规定在一定程度上是人为的且不能与实验条件完全一致。
      三维有限元模型的有效性验证有限元分析是进行骨盆生物力学研究的重要工具,应用有限元分析可以对骨盆在应力作用卜的应力、应变及位移分布进行计算和分析评价。与传统的实验力学研究相比,有限元分析可以不受样木数量限制,结果的实验误差较小,重复性好。但三维有限元模型由于存在原始影像资料精度不同,模型重建方法各异,网格划分不一致,材料属性赋值尚无统一标准等诸多差异,其分析结果不但与实验力学模型相比存在误差,而且不同研究者之间分析结果也存在较大差别。因此,建立三维有限元模型后第一步就需要进行有效性验证。


                                                                                  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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