基于优化的中国50百分位下肢有限元模型验证方法研究

发布时间：2017-10-19 08:36

  本文关键词：基于优化的中国50百分位下肢有限元模型验证方法研究

  更多相关文章： 中国50百分位 下肢 有限元模型 优化 大腿 小腿

【摘要】：随着汽车工业的发展,行人安全状况逐渐突出,行人安全已逐渐成为国内外汽车安全研究的重要课题。由于下肢最先与汽车发生碰撞,下肢损伤在汽车与行人碰撞中非常常见。虽然下肢损伤不是致命伤,但是最容易导致长期或永久性残疾。因此,探究下肢损伤机理对保护行人安全具有重要意义。有限元分析方法能够准确地模拟人体组织的应力应变,能够较好地模拟汽车与下肢发生碰撞的响应,已成为研究人体损伤机理的有效方法。然而,现有的下肢有限元模型都是基于欧美人体建立的,其生物力学响应与中国人体的差异值得探讨。因此,本文将通过尺寸缩放方法建立中国50百分位下肢几何模型,使用优化方法开展全面的模型验证,建立适合中国人体的下肢有限元模型。本文采用计算机断层(CT)和磁共振成像(MRI)技术获取下肢模型的影像数据,运用医学图像处理软件Mimics和三维处理软件Geomagic Studio,构建下肢几何模型。根据人体统计学数据将下肢模型缩放到中国50百分位人体尺寸。综合使用ANSYSY ICEM CFD和Hypermesh软件对下肢模型进行高精度的六面体网格划分,并根据下肢各部位的解剖学结构和力学特性赋予不同的材料属性。采用缩放方法对文献数据进行缩放,以使得生物力学试验数据适应中国50百分位的人体尺寸。为更全面地验证下肢有限元模型的生物逼真度,本文对下肢有限元模型进行了多层次的全面验证。在大腿、小腿模型的验证中,使用优化方法对长骨皮质骨材料的弹性模量、拉压应力-应变曲线、失效应变以及肌肉的体积模量进行优化,使得股骨、胫骨、腓骨、大腿和小腿的近心端、中部、远心端三个加载位置的动态仿真结果以及股骨、胫骨、腓骨中部纵向(A-P)和横向(L-M)的准静态仿真结果与实验结果吻合良好。在膝关节模型的验证中,使用优化方法对前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)、胫侧副韧带(MCL)、腓侧副韧带(LCL)进行体积模量、超弹性系数、普罗尼算法系数和失效优化验证,并进行膝关节的四点弯曲和三点弯剪进行校验。最后对整个下肢模型进行整体检验。通过优化方法,仿真曲线与实验曲线拟合较好,峰值出现的时刻基本一致,仿真结果均在实验范围之内。这表明所建立的下肢有限元模型具有较高的精度和生物逼真度,可用于下肢生物力学研究。同时,也表明该建模和验证方法能够有效应用于人体有限元模型开发。
【关键词】：中国50百分位 下肢 有限元模型 优化 大腿 小腿
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究目的及意义12
• 1.2 国内外下肢有限元模型研究进展12-14
• 1.2.1 国外下肢有限元模型研究进展12-13
• 1.2.2 国内下肢有限元模型研究进展13-14
• 1.3 下肢有限元模型发展趋势14
• 1.4 研究方法和流程14-15
• 1.5 本文主要工作与创新点15-17
• 第2章 大腿有限元模型的开发验证17-34
• 2.1 几何建模与尺寸缩放17-19
• 2.2 有限元模型19-21
• 2.2.1 网格划分19-20
• 2.2.2 材料定义20-21
• 2.3 生物力学实验数据与缩放21-22
• 2.4 优化验证22-27
• 2.4.1 优化流程和方法22-25
• 2.4.2 动态载荷下的股骨和大腿仿真模型25-26
• 2.4.3 准静态载荷下的股骨仿真模型26
• 2.4.4 准静态载荷下的股骨头压溃仿真模型26-27
• 2.5 大腿模型优化验证结果与分析27-32
• 2.5.1 动态载荷下股骨有限元模型优化结果与分析27-29
• 2.5.2 动态载荷下大腿有限元模型优化结果与分析29-30
• 2.5.3 股骨失效应变优化结果与分析30-31
• 2.5.4 准静态下股骨模型校核结果与分析31-32
• 2.5.5 准静态下股骨头模型校核结果与分析32
• 2.6 本章小结32-34
• 第3章 小腿有限元模型的开发验证34-53
• 3.1 几何建模与尺寸缩放34-35
• 3.2 有限元模型35-38
• 3.2.1 网格划分35-38
• 3.2.2 材料定义38
• 3.3 生物力学实验数据与缩放38-39
• 3.4 优化验证39-43
• 3.4.1 优化流程和方法40-42
• 3.4.2 动态载荷下的胫骨、腓骨和小腿仿真模型42-43
• 3.4.3 准静态载荷下的胫骨和腓骨仿真模型43
• 3.5 小腿模型优化验证结果与分析43-52
• 3.5.1 动态载荷下胫骨有限元模型优化结果与分析43-46
• 3.5.2 胫骨失效应变优化结果与分析46
• 3.5.3 动态载荷下腓骨有限元模型优化结果与分析46-49
• 3.5.4 腓骨失效应变优化结果与分析49
• 3.5.5 动态载荷下小腿有限元模型优化结果与分析49-51
• 3.5.6 准静态下胫骨与腓骨模型校核结果与分析51-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 膝关节有限元模型建立及韧带优化验证53-74
• 4.1 膝关节有限元模型的建立53-55
• 4.1.1 几何模型53-54
• 4.1.2 网格划分54
• 4.1.3 膝关节有限元模型的材料定义54-55
• 4.2 韧带模型的优化验证55-58
• 4.2.1 韧带仿真模型的建立55-57
• 4.2.2 优化流程和方法57-58
• 4.3 膝关节模型的建立58-61
• 4.3.1 膝关节动态四点弯曲模型的建立59-60
• 4.3.2 膝关节动态三点弯剪模型的建立60-61
• 4.4 韧带优化验证结果与分析61-71
• 4.4.1 高速拉伸下MCL仿真模型优化结果与分析61-63
• 4.4.2 MCL失效应变优化结果与分析63
• 4.4.3 高速拉伸下LCL仿真模型优化结果与分析63-65
• 4.4.4 LCL失效应变优化结果与分析65-66
• 4.4.5 高速拉伸下ACL仿真模型优化结果与分析66-68
• 4.4.6 ACL失效应变优化结果与分析68
• 4.4.7 高速拉伸下PCL仿真模型优化结果与分析68-70
• 4.4.8 PCL失效应变优化结果与分析70
• 4.4.9 低速拉伸下韧带模型校核结果与分析70-71
• 4.5 膝关节动态仿真结果分析71-73
• 4.5.1 膝关节动态四点弯曲结果分析71-72
• 4.5.2 膝关节动态三点弯剪结果分析72-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第5章 下肢有限元模型的验证74-80
• 5.1 实验设置74-76
• 5.2 仿真设置76-77
• 5.3 仿真结果与分析77-79
• 5.4 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 参考文献82-87
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录87-88
• 致谢88

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本文编号：1060124