各向异性松质骨弹性性能有限元分析

骨质疏松会导致松质骨细化从而降低松质骨力学性能。为了评估椎体松质骨的力学特性,文中采用有限元参数化建模,利用十四面体模型模拟棒状小梁骨的微结构,对各向异性松质骨的弹性性能进行了计算分析。通过控制输入参数Tb.Th、Tb.Sp、E0模拟不同骨质疏松程度的松质骨。计算结果表明,松质骨模量与骨体积分数呈平方律关系;随着各向异性比的增加,松质骨纵、横向模量间的比值呈线性增加,而横向两个模量保持基本一致。结果说明该微结构模型较好地反映了松质骨的横观各向同性性质,并能较好地反映受载松质骨的应力分布。     

人在摔倒时股骨上端承载能力的有限元分析——(I)有限元分析模型及股骨失效准则的建立

摔跤后,骨折已成为老年人最严重的损伤之一。有限元分析被证实在股骨的结构分析中是一项非常有用的工具。我们建立了股骨上端的有限元模型,并基于有关文献中关于股骨密质骨和松质骨的强度实验数据建立了Hoffm an失效准则。有限元模型和失效准则用前人的实验结果进行了验证。结果表明:预测的松质骨失效载荷仅比实验值低0.5%,而密质骨失效载荷仅比实验值高4.2%。这说明我们建立的有限元模型结合Hoffm an失效准则将很好地预测人摔倒时股骨的承载能力。     

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。     

人在摔倒时股骨上端承载能力的有限元分析——（Ⅰ）有限元分析模型及股骨失效准则的建立

摔跤后，骨折已成为老年人最严重的损伤之一。有限元分析被证实在股骨的结构分析中是一项非常有用的工具。我们建立了股骨上端的有限元模型，并基于有关文献中关于股骨密质骨和松质骨的强度实验数据建立了Hoffman失效准则。有限元模型和失效准则用前人的实验结果进行了验证。结果表明：预测的松质骨失效载荷仅比实验值低0．5％，而密质骨失效载荷仅比实验值高4．2％。这说明我们建立的有限元模型结合Hoffman失效准则将很好地预测人摔倒时股骨的承载能力。     

压缩载荷下不同应变判定皮质骨断裂准确性分析

目的 寻找适合压缩断裂工况下的应变判据。方法 基于连续损伤力学理论进行皮质骨在压缩载荷下的断裂模拟。分别将等效应变与主应变设置为有限元模型单元损伤与失效判据进行断裂模拟,通过对比两种预测结果与动物实验数据,探究应用两种应变判据进行断裂模拟的准确性。结果 应用等效应变判据模拟的断裂时间晚于应用主应变模拟;相比等效应变,应用主应变进行仿真所得结果与动物实验结果更为接近。结论 压缩载荷下,应用主应变判定皮质骨单元力学状态进行断裂模拟较为准确。通过对比分析找到准确模拟皮质骨在压缩载荷下断裂的数值方法,能够为临床中提高骨折预测精度提供理论基础。     

基于CT图像的长管骨有限元材料属性研究及实验验证

目的探讨经酒精处理的新鲜人体长管骨个性化材料属性定义的方法,以及骨骼材料数目对有限元结果的影响。方法利用断层扫描CT图片,在Mimics中建立股骨干三维实体模型,然后导入Hypermesh中分割成皮质骨、松质骨以及骨髓;根据相关经验公式分别赋于皮质骨和松质骨的材料参数,设置5组材料数目的不同仿真组;在Abaqus中进行线弹性阶段的压缩实验仿真,并进行体外验证实验。结果端部位移在0～1 mm时,松质骨材料数目为1种,皮质骨材料数目大于10种的整体力-位移有限元仿真结果与实测数据平均相对误差在10%左右;骨干的测量点变形量的有限元结果与实测数据相对误差为14.6%。在小位移下0～0.5 mm时1,种皮质骨材料的整体力-位移的仿真结果与实测数据误差为2.83%。结论 (1)利用CT图片灰度值,可以精确定义骨骼各成份的材料属性;(2)皮质骨材料数目设定对有限元仿真结果影响较大,将皮质骨设定10种即可满足有限元分析需要;(3)小变形时,1种材料的皮质骨就能满足分析要求。     

单轴压缩下松质骨的应力率和蠕变性能北大核心

背景:松质骨是一种多孔、非均质、各向异性和具有黏弹性的结构,是骨的重要组成部分。它在负载传输和能量吸收方面起着十分重要的作用。所以对松质骨的力学行为进行研究具有重要意义。目的:探讨单轴压缩实验中应力率对松质骨性能的影响以及不同应力值下松质骨的蠕变行为。方法:以新鲜的猪股骨松质骨为实验材料,施加不同的应力率,至试样的压缩应变达到5%卸载;在松质骨表面施加恒定的应力水平,并保持7 200 s,以便观察其蠕变应变变化。结果与结论:(1)单轴压缩实验中,在同一应变条件下,随着应力率的增加,应力值、杨氏模量也增加;(2)在不同的加载率作用下,松质骨的压缩应力-应变曲线不重合,说明松质骨的压缩力学性能具有率相关性;(3)在蠕变实验中,蠕变应变随着压缩的应力的增加而增加,蠕变柔量随着应力的增加反而减少;(4)轴压缩和蠕变实验结果说明,应力率和恒定应力水平对松质骨的力学性能影响很大,以上结果可以为如何避免松质骨损伤提供参考依据。     

弹性模量与表观密度的分段函数关系用于股骨近端的结构模拟

目前，在用功能适应性理论与有限元相结合，进行计算机数值模拟骨再造时，大多数研究者对于不同的表观密度，都是将表观密度和弹性模量的关系取为一种形式。由于松质骨的各向异性，其结构形式的多样性、复杂性，认为用一个统一的模型来描述其结构性能存在一定的问题。本研究基于松质骨胞元模型理论，提出与实际更加接近的松质骨弹性模量与表观密度的分段函数关系，使得弹性模量与表观密度关系的确立有一定的理论基础。利用Mullender等提出的骨自我组织控制过程微分方程来控制骨再造过程，与有限元相结合，将这种松质骨的弹性模量与表观密度的分段函数关系应用到股骨近端结构的模拟预测中，不但能根据模拟得到的内部密度分布给出其内部结构的具体胞元结构形式，而且可以大大提高迭代的收敛速度，因此是一项具有一定的理论意义和实际应用价值的工作。     

股骨颈松质骨三方向压缩应力松弛蠕变实验

研究正常国人新鲜尸体股骨颈松质骨的压缩粘弹性力学性质,为人工关节的研制提供生物力学理论基础.对10具正常国人新鲜尸体股骨颈松质骨纵向、横向、45°方向试样进行压缩应力松弛、蠕变实验.得出了股骨颈松质骨3个方向的应力松弛、蠕变数据和曲线.对实验数据进行归一化处理,分别用对数、指数一元回归分析的方法处理数据,得出了归一化应力松弛、归一化蠕变函数及曲线.说明股骨颈松质骨纵向组应力松弛量、蠕变量均大于横向组和45°方向组.股骨颈松质骨为各向异性材料.     

改变力学环境后松质骨胞元结构的预测

松质骨是骨的重要组成部分,结构疏松、多孔,由针状、片状骨小梁组成多种胞体,其结构称为胞元结构。正常生理状态下,骨质的形成与吸收呈平衡态,骨结构稳定,当骨所处的力学环境发生变化时,骨的结构形态也随之变化。松质骨细观结构数值模拟变化的力学环境与骨结构的关系目前未见报道,本文是采用带有生理限定应力的自适应生理模型与有限元相结合的方法,在力学环境发生变化后用计算机预测松质骨胞元结构;定量的研究了松质骨胞元结构从一种优化平衡态到另一种平衡态与其力学环境的关系,模拟了松质骨胞元结构的变化与力学环境的适应性。把这种骨结构预测从宏观水平提高到细观水平。