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股骨有限元分析设置材料属性的方法研究

发布于:2017-05-04 19:56
有限元分析
      得益于电脑技术的高速发展,目前个人电脑已可在Windows操作系统下完成骨骼三维重建,并进行有限元分析。进行骨骼有限元分析的重要条件之一是确定骨骼内不同部位的材料属性,既往的骨骼有限元研究多认为构成骨骼的材料呈均匀分布,将骨骼简单区分成密质骨和松质骨,分别赋予弹性模量和泊松比等材料属性后进行有限元分析。由于骨骼是由多种材料构成的复合体,这些材料各具不同力学特性,呈异质性分布,并具有明显个体差异,因而编辑认为,简单地将骨骼区分成密质骨和松质骨两种成分进行有限元分析,其结果与真实相异。亦有学者将股骨材料属性分为10种,据此进行有限元分析。如何合理赋骨骼材料属性进行有限元分析,迄今仍无相关报道。编辑利用医学三维重建AppMimics根据灰度值确定材料属性的功能,对12侧新鲜股骨上段标本进行三维重建后赋予2种(密质骨及松质骨)及10, 20, 50, 100, 200, 400种材料属性,进行有限元分析,旨在探讨合理的赋材料属性数量,以期为相关骨骼三维重建研究提供参考。根据灰度值进行计算表观密度和弹性模量研究表明,骨骼表观密度p与C具有近似的线性关系,骨骼材料特性与骨骼表观密度存在幂指数关系的经验公式,骨骼是一种各向异性的生物材料,但其各向异性弹性常数太多,故一般简化为正交各向异性,同时由于骨骼各向异性较弱,故尚可进一步简化为各向同性。  
      据此,Mimics根据骨骼不同区域的灰度值以及经验公式可以计算出对应区域的密度,并在此基础上赋予弹性模量及泊松比等力学材料属性,很好地解决了为模型分配材料属性的问题,可以进行Ansys求解。综合上述,将骨骼从无限分解成为有限的单元进行力学求解,体现出有限元分析的本质特征。
      单元划分数目、赋材料属性数量有限元分析的精确度也与单元网格的划分密切相关,单元的个数越多,网格越密,模型网格质量也越高,所得结果也越接近真实;同理,赋予骨骼材料属性数量越多,其分布就越接近真实骨骼。但无限制地细分单元和材料属性,使运算量以及数据统计量增多,徒然耗费时间及人力,因而合理地划分材料属性数量以减少运算量、缩短运算时间是进行有限元分析的重要前提。Mimics最大能将材料等分成400种,探讨合理的赋材料属性数量为本试验主要目的。
      试验结果分析本试验所有标本均成功进行了三维重建、体网格划分、赋材料属性以及有限元力学分析。力学数值的统计学处理结果显示:①标本1,5,6,7,9,10的对照组与各试验组比较P < 0.05,标本2,3,4,8,11,12的对照组与试验组比较P>0.05。传统方法把骨骼简化成密质骨及松质骨,并认为二者内部材料分布以及力学属性是均一的,与真实情况相去甚远,事实上密质骨、松质骨也是由不同生物材料构成的复合体,这些材料各具不同的灰度值、表观密度值及力学属性,赋予三维模型材料属性越多,与真实情况就越接近。在赋材料属性方而,将骨骼等分成不同数量级的方法优于传统。本试验对照组和各试验组结果有异同之处,并非完全否定赋材料属性方法,可以把骨骼材料看成是密质骨和松质骨两种材料进行有限元分析以简化计算及统计量。应该看到,传统方法难以满足个性化的骨骼有限元分析的要求,骨骼的密度在不同个体可以有较大差异,传统方法对此差异无能为力,而将骨骼等分成不同数量级,根据灰度值进行赋材料属性则较好地解决了这个问题。②试验组组别之间比较各P>0.89,赋予骨骼10种材料属性即可满足有限元分析的需求,而无需更细分以至加大运算量及数据统计量。


                                                                                  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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