变应变率下的肌肉本构方程

目的在Hill肌肉三元素模型基础上推导应变率下的肌肉本构方程。方法在Hill三元素肌肉模型的基础上,利用微分和线性拟合的方法,最终获得了骨骼肌在不同应变率下的应力-应变本构方程。结果结果表明:在应变率|e|≤1下,骨骼肌的本构方程是随应变率不断变化的;当应变率|e|>1时,骨骼肌的本构方程并不受应变率的影响。同时,在|e|≤1下,应变率对应力的影响是随着应变的增加而不断减小的。结论研究结果将有助于利用有限元方法分析骨骼肌在变应变率作用下的受力情况。     

变应变率下骨骼肌连续介质本构模型

目的 针对不同结构耦合肌肉主被动行为无法考虑肌肉组织连续介质力学特性的问题,提出运用被动与主动耦合在同一个本构方程的方法,构建骨骼肌连续介质超弹性主被动本构模型。方法 为标定被动本构模型参数,给出单轴拉伸实验方法 及条件,并通过理论推导,介绍利用试验数据求解被动模型参数的具体方法。为验证主动模型的有效性,以实例对模型进行验证。结果 模型预测曲线与实验输出应力拉伸比曲线具有较好的一致性,在相同应变下的情况下,被动应力和总应力最大误差仅为20、40 kPa。结论 该连续介质超弹性本构模型能较好模拟骨骼肌的主被动行为,从而有利于下一步人体肌肉的建模与仿真。     

肌肉收缩力与收缩速度关系研究

目的:基于肌肉的特殊结构及肌球蛋白工作循环的四态模型,讨论肌肉收缩时收缩力与收缩速度的关系,并通过建立肌肉的力学模型,对力与速度的关系做了进一步讨论。方法:利用化学动力学方法和生化热力学原理,结合肌球蛋白单分子实验结果,从物理学的角度计算肌肉中力与收缩速度的关系。结果:发现力速关系与实验结果完全一致,肌肉中与收缩有关的化学变化可随负荷的变化而自动地进行调节,肌肉收缩时粘滞力与负载有关。结论:此模型可用于讨论肌肉的力与速度的关系,而且物理学方法适用于研究本文体系。     

人密质骨的撞击实验研究

本文用分离式Hopkinson杆（SHBM）（应变率为7001/s)对人的密度骨进行撞击实验研究,得出了应力-时间、应变-时间、应变率-时间及应力-应变等曲线。用一维波传播理论分析实验数据。结果表明即使在高应变率下,人的密质骨也具有非线性粘弹性材料的特性,据此可得人密质骨的冲击特性可用三参数粘弹性力学模型描述,同时得出了高应变率下,人的密质骨也具有非线性粘弹性材料的特性。据此可得人密质骨的冲击特性可用三参数粘弹性力学模型描述,同时得出院高应变率下人密度骨的极限应力和残余应变值。     

冷刺激下食指运动学及动力学特性研究

目的考察冷刺激对食指运动学及动力学特性的影响。方法为减少对食指屈伸的影响,采用高速摄影仪记录食指屈伸运动过程的方法,记录食指在自然状态和冷水刺激两种情况下的屈伸运动,通过自行编写的程序对视频文件进行处理,得到食指各关节角度随时间的变化,最后通过一个包含两块肌肉(FDS:flexordigitorumsuperfi-cialis,FDP:flexordigitorumprofundus)的肌骨骼模型计算得到肌肉力随时间的变化关系。结果冷水刺激后,食指第二关节在屈伸过程中的平均角速度变小。冷水刺激前后,FDP肌肉力没有太大的变化,而FDS肌肉力在弯曲结束时增加了1倍左右。结论本文通过影像结合图像处理的方式得到了食指在屈伸过程中的轨迹信息,并通过简化建立了连接食指表观信息与内部肌肉力的计算模型,进一步讨论了冷水刺激前后食指的运动学和动力学特性。     

基于超弹性模型的动脉血管数值计算

目的：实验研究表明。血管在周向与轴向两种单轴向拉伸作用下表现出不同的力学特性,本文通过对血管单轴拉伸的数值计算,给出分别适用于周向和轴向荷载的模拟方法。方法：基于超弹性本构模型对轴向和周向两种单轴拉伸作用下血管的应力一应变关系进行数值计算,并结合血管组织结构特点及模型适用范围对结果进行分析,同时通过数值计算对Holzapfel．Gasser-Ogden模型中的各向异性参数对结果的影响展开讨论。结果：计算结果显示单一使用各向同性超弹性应变势函数无法准确完整的模拟两种情况下的单轴拉伸实验,周向拉伸采用各向同性超弹性本构模型的数值结果较好的吻合实验,而轴向拉伸宜采用Holzapfel-Gasser-Ogden模型。Holzapfel。Gasser-Ogden模型中各向异性参数1描述血管中两组增强纤维主方向的分散程度,y值越大即纤维平均主方向与轴向加载方向夹角越小,在外荷载作用下越容易使得纤维旋转到荷载方向;参数K描述血管中每组增强纤维主方向上纤维的分散程度。K值越大,纤维在基体中分散越广泛,材料性子越接近纤维,宏观表现越硬。结论：本文基于超弹性本构模型对轴向和周向两种单轴拉伸作用下血管的应力应变关系进行数值计算,提出分别用多项式形式的各向同性超弹性本构模型数值计算周向荷载作用下应力应变关系、Holzapfel-Gasser-Ogden各向异性超弹性本构模型数值模拟轴向荷载下力学性质,数值结果与实验吻合较好,为心血管系统的数值模拟提供指导,对血管系统的力学机制和临床研究具有重要意义。     

拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应

目的分析航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量。方法建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型;采用集总参数法描述韧带、椎间盘等软组织的力学特性;应用非线性应力-应变关系描述人体头颈部15组肌肉的力学特性。采用多组汽车碰撞过程人体头颈部动力学响应实验数据对模型进行验证。结果获取了拦阻着舰过程飞行员头部的过载曲线和15组肌肉的应变,结果表明颈夹肌拉伸程度最大,在不佩戴头盔时其应变可达50%,佩戴2.7 kg头盔时其应变可达56%。结论佩戴防护头盔会增加飞行员在拦阻着舰过程的颈部肌肉拉伸,仿真结果可用于进一步的损伤评估。     

车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析

目的基于两相多孔弹性胫骨模型,建立一种车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析方法。方法选用健康成年男性胫骨行CT分层扫描,结合数值插值方法获得胫骨的结构参数;在两相饱和多孔弹性理论的框架内,建立胫骨动力学控制方程组;采用自行开发的流-固耦合两相多孔介质有限元数值分析程序,数值模拟小汽车车头从侧向撞击行人下肢的动力学过程,并计算撞击载荷作用下0-200ms内行人胫骨的动力学响应。结果胫骨的弯曲变形主要集中在撞击载荷作用的区域;胫骨骨干上节点107处的侧向位移响应,约在75ms时刻出现峰值位移（-6mm）,对撞击载荷有明显的时间滞后;胫骨骨干上单元E77中心处的轴向应力响应,约在30ms时刻出现峰值应力（140MPa）,对撞击载荷也有明显的时间滞后。结论本研究所建立的对车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析方法,能够近似地模拟胫骨撞击区的弯曲变形、侧向位移响应和轴向应力响应以及胫骨中骨髓流体组分对骨架固体组分动力学特性的影响。下一步研究将在现有初步结果的基础上提高胫骨动力学模型的生物仿真性。     

自然步态摆动期动力学协调模式的研究

建立了包含肌肉一肌腱动力特性和神经兴奋一肌肉收缩动力学方程在内的人体下肢生物力学模型，并针对自然步态摆动期的运动过程，采用最优控制方法进行了计算分析。计算结果与实验测量结果在运动学、肌电信号和肌肉活性参数等方面均具有很好的一致性；同时利用模型分析了肌肉协调运动模式，结果表明在自然步态摆动期运动过程中，神经系统将肌肉结成不同的协同肌群，并按照特定的时序结构控制不同肌群实现步行运动的加速、制动和姿态控制。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布。方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期8个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。结果 步态周期支撑相下髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能55%～69%,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占百分比减小。髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。所获得髋臼各柱的生物力线分布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。结论 通过数值模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。