基于有限元方法的人工脊椎假体建模及优化的研究与实现
发布时间：2020-11-05 10:54
近年来,脊椎疾病呈现出高发性和低龄化的趋势。随着腰椎损伤发病率的增加,以及腰椎畸形、大面积骨折、肿瘤等严重疾患的增多,假体置换术已经成为这类疾病终末治疗的有效手段。虽然术后能够缓解患者症状,保留机体的生理运动,但在长期疗程中关于沉降、移位、松动等术后并发症仍有较高的发病率。因此,研究假体置换术后腰椎存在的力学问题,发现脊椎假体结构缺陷并进行优化具有重要的现实意义。鉴于此,本文建立置换术后腰椎力学模型,利用有限元方法模拟人体生理活动下腰椎受力形态,并根据实验结果提出脊椎假体仿生优化设计方案。主要研究工作如下:1.利用现有计算机可视化和三维重建技术,根据CT和MRI数据,并结合Mimics及Simpleware图像处理软件建立正常人体腰椎L3-L4节段实体模型,包括上下椎体、椎间盘和部分连接韧带。通过对传统脊椎假体的研究,结合脊椎假体设计理论建立假体模型,并在正常模型的基础上模拟切除患骨,将脊椎假体植入模型缺损处,建立置换术后腰椎模型。2.在构建模型的基础上进行材料属性设置、网格划分、表面连接关系定义等操作,并在有限元分析软件ANSYS中完成载荷和边界条件的加载,模拟两种模型在真实人体中不同生理活动下的受力情况,获得相应的应力应变云图。通过对比两种模型在相同外力下的应力应变分布,进一步分析导致置换术后期出现并发症的机械因素,为假体优化提供一定的参考依据。3.针对假体结构缺陷,并参照正常人体松质骨结构,提出假体仿生微孔结构优化方案。接着采用有限元方法检验微孔钛合金材料的力学性能,并在理论上模拟优化假体置换术后腰椎受力情况。结果显示,本文设计的微孔钛合金材料可满足自然骨组织的力学强度,对比分析可知优化后假体应力减小且分布更加均匀,增加了系统稳定性,这为指导脊椎假体的进一步改进提供了理论依据。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.7;O241.82
【部分图文】：
对于一个将要分析的弹性体对象，通过给定物体材料的类型并指定其边界条件，可采用三类力学变量、三类基础方程和边界条件来描述弹性体对象。其中弹性体基本变量、基本方程以及边界关系如图2.3所示。图2.3 变形体变量、方程和边界关系图（1）力的平衡方程平面问题实际上可以作为空间问题的特殊情况，可认为物体在z方向上的值忽略不计。在弹性体的任意一点 a ( x,y)处取一个微元dxdy，其每个侧面上的任意力都能够分解成沿 x 方向和沿 y 方向的力，具体如图2.4所示。dca(x,y) byx(,)xx xy(,)xy xy(,)yy xy(
体微元变形前为 APB，而产生变形后为 A P B ，其中u 表示P 点在 x 方向上的位移，v 表示在 y 方向上的位移。图2.5 平面问题的变形表示定义 x 方向上形变后的相对伸长量为xx ，y 方向上形变后的相对伸长量为yy ，定义夹角的总变化xy 。具体方程表示如式（2-4）：
对平面问题进行分析之后，可以将问题的求解扩展到三维空间中。在弹性体的任意一点 a ( x,y)处取一个微元dxdydz，其中每个侧面上的任意力都能够分解成沿x、y、z三个方向上的力，具体如图2.6所示。图2.6 三维空间中各方向力分布图其中三维空间的三类变量包括：（1）位移分量：u v w（2）应变分量：xx yy zz xy yz zx （3）应力分量：xx yy zz xy yz zx 其中 、 、 分别表示x、y、z方向的位移分量，参考平面问题中三大类基本方程和边界条件的推导方式，将结果推广到空间问题中。空间问题中基本方程和边界条件的推导同平面问题处理一致，也是在微小体元dxdydz上建立的，因此同样适用于处理任意复杂形状的三维弹性体分析。三维空间中基本方程和边界条件分别为：（1）平衡方程
【参考文献】
本文编号：2871535
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.7;O241.82
【部分图文】：
对于一个将要分析的弹性体对象，通过给定物体材料的类型并指定其边界条件，可采用三类力学变量、三类基础方程和边界条件来描述弹性体对象。其中弹性体基本变量、基本方程以及边界关系如图2.3所示。图2.3 变形体变量、方程和边界关系图（1）力的平衡方程平面问题实际上可以作为空间问题的特殊情况，可认为物体在z方向上的值忽略不计。在弹性体的任意一点 a ( x,y)处取一个微元dxdy，其每个侧面上的任意力都能够分解成沿 x 方向和沿 y 方向的力，具体如图2.4所示。dca(x,y) byx(,)xx xy(,)xy xy(,)yy xy(
体微元变形前为 APB，而产生变形后为 A P B ，其中u 表示P 点在 x 方向上的位移，v 表示在 y 方向上的位移。图2.5 平面问题的变形表示定义 x 方向上形变后的相对伸长量为xx ，y 方向上形变后的相对伸长量为yy ，定义夹角的总变化xy 。具体方程表示如式（2-4）：
对平面问题进行分析之后，可以将问题的求解扩展到三维空间中。在弹性体的任意一点 a ( x,y)处取一个微元dxdydz，其中每个侧面上的任意力都能够分解成沿x、y、z三个方向上的力，具体如图2.6所示。图2.6 三维空间中各方向力分布图其中三维空间的三类变量包括：（1）位移分量：u v w（2）应变分量：xx yy zz xy yz zx （3）应力分量：xx yy zz xy yz zx 其中 、 、 分别表示x、y、z方向的位移分量，参考平面问题中三大类基本方程和边界条件的推导方式，将结果推广到空间问题中。空间问题中基本方程和边界条件的推导同平面问题处理一致，也是在微小体元dxdydz上建立的，因此同样适用于处理任意复杂形状的三维弹性体分析。三维空间中基本方程和边界条件分别为：（1）平衡方程
【参考文献】
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本文编号：2871535
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