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。     

基于可行方向法的脂肪组织本构模型参数反求优化

目的研究脂肪组织在中等应变率下本构模型及其参数反求。方法基于脂肪组织力学性能实验,通过有限元方法重构脂肪组织压缩实验,并对常见表征脂肪组织的本构模型进行参数筛选。结合最优化方法中的可行方向法(method of feasible direction,MFD),进行中应变率下脂肪组织本构模型相关参数的反求。结果中应变率(260 s~(-1))下黏弹性本构模型相比Ogden本构模型更适合表征脂肪组织的力学响应,并反求得到适用于仿真的本构模型参数。结论中等应变率下黏弹性本构模型更适合表征脂肪组织力学响应。研究结果为汽车碰撞有限元仿真中探究人体脂肪组织对人体损伤的影响提供参考。     

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。     

生物软组织超弹性及夹持过程仿真分析

目的确定生物软组织的超弹性本构方程,并在此基础上研究生物组织夹持过程的力学响应规律。方法以新鲜的猪肝脏组织为研究对象进行破坏性单轴拉伸实验,并在ABAQUS中对单轴拉伸实验过程进行仿真,通过对比仿真结果与试验数据确定猪肝的超弹性本构方程。以此为基础分别选用尖齿形及波浪齿形夹头对组织的夹持过程进行有限元仿真。结果采用4阶Ogden模型开展拉伸实验的仿真结果与试验数据吻合度较高。组织夹持仿真结果表明,采用尖齿形夹头更容易产生应力集中。结论可以采用4阶Ogden模型描述猪肝的超弹性,并确定相关参数。采用尖齿形夹头更容易造成组织夹持损伤,且组织应力与夹持进给量基本成线性关系。研究结果为手术钳头的设计提供参考。     

6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证

目的利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应。方法基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性。结果不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好。结论该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制。     

基于硅基电极的脑组织微动损伤仿真

目的:为预测脑组织微动损伤和解决植入电极的长期寿命问题,本研究基于硅基微电极进行建模,并对神经电极-脑组织有限元模型进行数值仿真。 方法:采用超黏弹性模型描述脑组织材料,研究不同微动模式（纵向和横向）、不同物理耦合度下电极附近脑组织应变分布。 结果:纵向载荷分析显示当摩擦系数?增加时,脑组织最大von Mises应变呈降低趋势,并且电极尖端附近的组织应变最大,这表明电极与脑组织之间的物理耦合度对脑组织微动损伤有较大影响。增强电极和脑组织间的黏附程度,可以有效减小脑组织损伤。电极尖端的形状也极大地影响着组织的应变大小。横向载荷分析显示X轴方向的载荷产生的脑组织损伤区域大约为60 ?m,这表明电极之间的间距应大于60 ?m,否则不同电极产生的组织应变会发生重叠,这对于电极之间理想间距的设计和防止重叠应变形成多余的细胞鞘有着重要的意义。 结论:数值仿真模型可以为电极-脑组织界面参数和电极间距设计参数提供参考,从而减少组织损伤,提高电极工作寿命,满足临床应用。     

脑组织压缩力学性能和本构模型

目的 研究脑组织在不同应变率下的压缩力学性能和本构模型。方法 使用电子万能试验机对猪脑组织白质和灰质开展准静态压缩和中速压缩试验,获得脑组织不同应变率下的应力-应变曲线。采用Ogden本构模型对试验曲线进行拟合,确定本构模型参数,并在有限元软件中进行仿真验证。结果 脑组织应力-应变曲线呈现非线性特征,具有较强的应变率相关性和敏感性。压缩至0.6应变时,在5×10-4~5×10-2 s-1应变率下,白质和灰质的应力分别增加102%和129%,在1~1.5 s-1应变率下则分别增加50.7%和54.6%;1.5 s-1应变率下白质、灰质应力比5×10-4 s-1应变率下分别增加347%、413%。Ogden模型拟合下的R2>0.99,仿真结果与试验结果误差在15%以内,验证了模型的有效性。结论 研究结果有助于实现对脑组织变形的预测,为建立更加科学合理的人体模拟靶标以及在设计和改进颅脑防护装备上提供准确的理论依据。     

脂肪组织压缩实验中摩擦系数对力学响应的影响

目的针对当前摩擦力对脂肪组织无约束压缩实验结果影响的不确定性,研究压缩实验中合适的摩擦系数设置及适用于模拟脂肪组织生物力学响应的材料本构模型。方法构建低应变率(0.2s^-1)和中应变率(20s^-1)下的脂肪组织有限元模型,分别应用LS-DYNA中常用于模拟脂肪组织的线性黏弹性材料本构、Mooney-Rivlin超弹性材料本构、Ogden超弹性材料本构、软组织材料本构,在不同摩擦系数下进行无约束压缩实验,分析不同摩擦系数及本构模型对接触力大小的影响。结果4种材料本构模型在低、中应变率下,输出的接触力均与摩擦系数呈正相关,有摩擦时的接触力比无摩擦时的接触力大50%左右。中应变率下脂肪组织的力学响应对摩擦系数的灵敏度比低应变率下的更高,且不同材料本构模型输出的接触力差异显著。结论在脂肪组织无约束压缩实验中,静摩擦系数取0.1,动摩擦系数取0.05是合理的,在低、中应变率下Ogden超弹性材料本构能够良好地反映脂肪组织的生物力学响应。     

颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响

目的针对目前对儿童颅脑组织材料参数的不确定性,研究直接冲击载荷条件下颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响。方法应用已验证的3岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真实验,采用正交实验设计和方差分析对儿童颅脑组织材料进行参数分析。结果颅骨弹性模量对儿童头部冲击响应具有显著性影响,随着颅骨弹性模量的增加,头部撞击侧颅内压力显著减小(P=0.000),对撞侧颅内压力显著增大(P=0.000),颅骨最大Von Mises应力显著增大(P=0.000)。脑组织的线性黏弹性材料参数对儿童头部冲击响应同样具有显著性影响,随着脑组织短效剪切模量的增加,脑组织最大主应变显著减小(P=0.000),脑组织最大剪应力则显著增加(P=0.000)。结论参数分析结果可为今后儿童头部有限元模型的材料选取提供参考依据,进而提升模型在预测临床上无法通过脑CT影像确诊的脑震荡等脑损伤时的准确性。     

前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

冲击条件下骨盆动脉损伤有限元模型的建立及验证

目的 构建并验证含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型,研究骨盆动脉在侧向冲击条件下的力学响应。方法 基于1名女性志愿者的骨盆CT图像,建立骨盆及其动脉的三维有限元模型,包括骨、动脉、周围软组织以及骶髂关节、髋关节和耻骨联合等骨盆关节软骨和韧带。采用线弹性实体单元模拟骨骼,采用非线性的弹性连接单元模拟韧带,软组织包括软骨、包裹软组织和动脉等采用超弹性材料和实体单元仿真。以22.1 kg的冲击质量,3.13和5 m/s的冲击速度对坐位下的复合体进行侧面碰撞,记录模型的输出。结果 计算结果与文献报道的实验结果一致。3.31和5 m/s冲击速度下动脉的最大等效应力分别为98和216 kPa,最大拉伸应变为14.9%和20%,但不至于导致动脉断裂。结论 所建立的骨盆-股骨-软组织复合模型可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析,为预测动脉损伤程度提供生物力学依据。     

人颅骨粘弹性研究

本文对新鲜人颅骨小试件分别进行了压缩和拉伸的松驰、蠕变试验,运用线性粘弹性理论导出准静态下颅骨压缩和骨板拉伸时的粘弹性本构议程。利用Wood骨板单向拉伸的c～8曲线(ε=0.005/s～150/s),与出骨板拉伸时的动态粘弹性本构方程。讨论了准静态和动态粘弹性本构方程之间的关系。给颅脑损伤的理论分析和模拟试验研究提供了实用的基础资料。     

不同载荷作用下头部生物力学响应仿真分析

目的建立符合解剖结构的人颅骨三维有限元模型,研究多种载荷作用下头部生物力学响应。方法通过建立具有解剖结构的高精度头部有限元模型,颅骨采用能模拟骨折的弹塑性材料本构模型,结合已发表的正面冲击颅内压实验、动态颅骨骨折实验、头部跌落实验结果,仿真再现实验过程中头部受冲击载荷作用下的生物力学响应、颅骨骨折及头部不同速度下的跌落响应。结果前碰撞表现出冲击与对冲侧正-负颅内压分布,相近载荷下枕骨变形比前额、顶骨严重,跌落中速度越快损伤越大。结论建立精确解剖结构的头部有限元模型可以较好模拟头部在冲击、跌落等载荷下的生物力学响应。通过量化接触力、颅内压力等参数来评价头部损伤风险,为防护系统的设计提供科学依据。     

基于超黏弹性的牙周膜本构模型构建及模拟

为了准确描述牙周膜的生物力学行为,基于大变形连续介质力学理论及不可压缩各向同性假设,以人体牙周膜平面剪切和应力松弛实验数据为基础,利用有限元软件ABAQUS的数据拟合功能,构建牙周膜的超黏弹性本构模型及参数。随后,通过对5组牙周膜平面剪切实验过程的模拟,验证牙周膜超黏弹性模型的正确性。最后,通过有限元计算对比分析牙周膜线弹性模型与超黏弹性模型对载荷的力学响应。结果表明在牙根位移量为0～0.06 mm时,牙周膜可近似用线弹性模型表示;当位移量大于0.06 mm,两种模型的差异显著,超黏弹性模型更加符合牙周膜的材料特性。研究结果为牙周膜提供一种实用性强的超黏弹性模型,为牙齿正畸的生物力学研究和治疗方案的精确设计提供理论依据。     

几何尺寸和材料特性对头部转动特性的影响

本研究为了探讨头部尺寸及脑组织材料参数对头部转动响应的影响,采用实验设计的方法,应用已验证的3岁、6岁儿童和第50百分位成人头部有限元模型进行转动仿真。研究结果表明:在相同的转动载荷条件下,头部尺寸及转动方向对头部转动响应不具有显著影响,脑组织黏弹性材料的各个参数对头部转动响应的影响也不显著,但相对于衰减常数和体积模量,头部转动响应对脑组织剪切模量最为敏感。所以,在研究转动载荷条件下的脑损伤标准时,脑组织材料参数的选取对仿真结果的准确性尤为重要。     

基于自适应响应面法的脂肪组织材料参数反求

不同文献中的脂肪组织材料参数相差很大,人体有限元模型中脂肪组织的生物仿真度有待提高。本研究构建了脂肪组织压缩试验有限元模型,采用Ogden超弹性材料本构并进行筛选试验设计,确定其各个因子对目标响应的影响程度,选择Ogden系数与剪切松弛模量两项对目标响应影响较大的参数作为反求目标。利用有限元方法与优化策略相结合,基于自适应响应面法对脂肪组织的材料参数进行反求,将反求得到的材料参数应用于仿真中,得到仿真曲线与实验曲线的相关系数为0.98876。研究结果表明,应用基于反求策略得到的材料参数输出的仿真曲线与实验曲线高度吻合,在仿真中采用该反求方法获得的脂肪组织材料参数具有更高的生物仿真度。     

侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

目的利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响。结果髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。     

冠脉可降解支架介入的血管力学特性数值模拟与实验研究

目的 探究可降解支架在动态降解过程中,血管应力变化对内皮功能恢复以及血管再狭窄抑制作用的影响.方法 拟合超弹性血管本构关系的材料参数,通过数值模拟计算支架介入前以及动态降解过程中血管内膜应力分布;采用体外培养实验,设置硅胶腔体拉伸率分别为0％、5％、10％、15％,模拟不同降解阶段的力学环境,探究不同拉伸率下对内皮细胞...     

基于CosmosWorks有限元分析在腰椎弹性内固定棒中的应用

背景:引起假体松动的原因主要有力学因素和生物因素,所以应力分布和松动的机制是目前研究热点。目的:应用有限元分析腰椎"U"型弹性内固定器的力学特征。方法:运用solidworks2008三维建模软件建立弹性内固定棒的实体模型,并借助其中的CosmosWorks工具进行有限元分析,分别施加压缩、前屈及拉伸等各种生理载荷,观察模型在不同载荷下弹性内固定器的应力分布,内固定棒在变形过程中其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况。结果与结论:"U"型弹性内固定器的应力分布在"U"型连接棒的"U"型区上,应力应变曲线表现出较好的弹性作用。     

动脉壁非线性弹性的理论和实验研究

在理论方面,作者提出了一个三维理论模型分析动脉壁的非线性力学性质。该模型假设动脉壁是各向异性、局部正交对称、不可压缩和非线性弹性的。引进了一个含有七个物理参数的三维指数型应变能函数,并由该函数详细地推导了动脉壁非线性弹性本构方程及增量形式的应力和应变关系。在实验方面,本文讨论了研究大血管力学特性的实验方法,对六只狗的胸主动脉离体血管段进行了测量研究,得出了主动脉的应力和应变关系曲线及七个参数的值,并由这些参数,根据本文的理论计算出主动脉的增量弹性模量。结果比较表明,本文理论模型是能很好地描述动脉壁的力学行为。