动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟与试验验证

发布时间：2017-03-23 01:19

  本文关键词：动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟与试验验证，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：漏斗胸是一种先天性并伴有家族遗传性的胸廓畸形疾病,占所有胸壁畸形的90%。漏斗胸畸形使胸骨及肋软骨向内凹陷,造成对患者心肺的压迫,同时,漏斗状畸形的外观,严重影响患者的心理健康,使患者性格内向,有自卑感。当前,治疗漏斗胸主要是以Nuss手术为代表的微创矫形手术。Nuss手术的方法是在保持胸廓骨骼完整的前提下抬举凹陷的胸骨及肋软骨,从而达到治愈的目的,但其中涉及到的抬举力的变化规律及胸廓大变形后力学环境的改变等生物力学研究却很少。在数值计算的研究中,不同学者使用的计算模型和计算方法差异很大,数值计算结果还缺少试验验证。受到伦理的限制,还不能采用电测试验的方法在人体上直接进行应变测量,通过比较应变和位移来验证数值模拟所使用的计算模型及计算方法的准确性。目前在试验研究中能够采用的模型有人工骨胸廓模型和动物胸廓模型,考虑到研究肋间肌对胸廓变形影响的需要,本文采用电测试验方法研究了羊胸廓模型在生理载荷作用下胸廓位移,肋骨和肋软骨的应变分布规律。以新鲜的动物(羊)胸廓为研究对象,保留肋间肌与胸骨内侧肌肉,在肋骨上下两端以及肋软骨上分别粘贴3组电阻应变片,测点布置参考了人体漏斗胸矫形过程数值计算的结果。通过WDW-10材料试验机给胸廓施加矢状面位移,位移大小参考了漏斗胸的矫形位移,得到了载荷-位移曲线,通过动态电阻应变仪得到测点的应变。作者还研究了肋间肌对于动物胸廓变形的影响,将去除肋间肌的胸廓放在材料试验机施加矢状面位移,数值参考没有去除肋间肌胸廓模型的位移,得到了没有肋间肌时胸廓的载荷—位移曲线及测点的应变。通过有无肋间肌的位移—载荷曲线及应变数值的比较,确定了肋间肌对胸廓模型在生理载荷作用下变形影响的规律。文中还对动物胸廓进行了CT扫描,重建了动物胸廓包括胸骨,椎体和肋骨的三维实体模型。对肋骨进行三点弯曲试验,制作了胸椎材料的试件进行了压缩试验,得到肋骨及胸椎的材料参数。参照动物胸廓电测试验,给模型施加相应的位移载荷和约束条件,计算得到了动物胸廓模型的位移及应力应变的分布规律。最后对得到动物胸廓数值模拟结果与试验结果进行对比与分析,研究了数值模拟与试验结果存在误差的主要因素。文中结果对于指导漏斗胸矫形过程数值模拟研究采用合理的计算模型和计算方法,以及对进一步开展胸廓模型的电测试验,包括人工骨胸廓模型和动物胸廓模型的电测试验具有较好的参考价值。
【关键词】：动物胸廓 生理载荷 电测试验 肋间肌 数值模拟
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R-332;R655
【目录】：

• 摘要5-6
• 英文摘要6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 漏斗胸及其矫形手术11-13
• 1.3 漏斗胸国内外研究现状13-15
• 1.4 论文研究目的、内容及各章安排15-16
• 1.4.1 论文研究目的及意义15
• 1.4.2 论文研究内容15-16
• 1.4.3 论文的各章安排16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 动物胸廓模型的三维重建17-26
• 2.1 相关软件介绍17-18
• 2.1.1 Mimics软件17
• 2.1.2 Geomagic Studio软件17-18
• 2.2 动物胸廓实体模型的三维重建18-25
• 2.2.1 数据采集18
• 2.2.2 Mimics中胸廓模型的建立18-21
• 2.2.3 胸廓模型的光滑处理及实体化21-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 肋骨与椎体的材料试验26-35
• 3.1 试验方案设定26-27
• 3.2 试验材料及方法27-31
• 3.2.1 材料制备27-28
• 3.2.2 试验设备28-29
• 3.2.3 试验方法29-31
• 3.3 试验数据处理及分析31-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟35-42
• 4.1 有限元法原理及应用35-36
• 4.2 动物胸廓三维有限元模型的建立36-38
• 4.2.1 动物胸廓三维实体模型导入ANSYS软件36
• 4.2.2 模型的单元类型和材料属性36-37
• 4.2.3 网格划分37
• 4.2.4 动物胸廓模型的连接与装配37-38
• 4.3 动物胸廓三维有限元模型计算与分析38-41
• 4.4 本章小结41-42
• 第五章 动物胸廓模型在生理载荷作用下的电测试验研究42-58
• 5.1 电测试验简介42-43
• 5.1.1 电测试验概述42-43
• 5.1.2 电测试验方案制定43
• 5.2 试验内容及方法43-49
• 5.2.1 材料制备43-45
• 5.2.2 试验设备45-47
• 5.2.3 试验方法47-49
• 5.3 试验结果与分析49-54
• 5.3.1 正常组试验结果49-51
• 5.3.2 破坏组试验结果51-53
• 5.3.3 肋间肌对于胸廓变形的影响53-54
• 5.4 动物胸廓数值模拟结果与试验结果的对比与分析54-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 全文总结58
• 6.2 展望58-60
• 参考文献60-63
• 发表论文和科研情况说明63-64
• 致谢64-65

【参考文献】

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本文编号：262650