路面激励下人体脊椎的响应特性分析

发布时间：2017-09-11 05:02

  本文关键词：路面激励下人体脊椎的响应特性分析

  更多相关文章： 脊椎 静态与动态分析 CT扫描建模 有限元分析 模型验证 随机振动

【摘要】：随着人们生活水平的提高,收入不断的增多,汽车已经基本成为了家庭的必需品之一。但是随着汽车的普及,汽车安全与舒适性问题也越来越受到人们的重视。而除了碰撞这种直观的对人体造成的巨大伤害的硬性灾难外,振动是另一种隐性的对人体可以造成伤害的原因。人体心血管、消化、神经、脊椎等组织都会受到振动的影响,从而产生各种不良的生理反应。在与车辆行驶有关的疾病中,以长期承受振动的驾驶员最为明显,其腰痛症状的占57%-82%,驾驶员患腰痛的几率较平常人高2-3倍。其中履带汽车和重型工程车辆驾驶员的腰痛患病率甚至高达了80%以上。因此研究车辆行驶过程中人体脊椎生物力学特性势在必行。为此,我们建立了T12-Pelvis节段的脊椎模型,并进行了模型验证,静态分析和动态分析的过程,得到了脊椎的一些生物力学特性和分析结果,解释了一些病理现象,为设计人员在车辆的舒适性和安全性设计时提供了一些理论参考。首先,通过CT断层扫描,得到一个健康女性的CT扫描图片。将这些CT扫描图片导入到Mimics中进行提取。提取出T12-Pelvis节段的脊椎模型。再将此模型导入到ANSYS中,加入椎间盘、骶髂关节软骨和耻骨联合来完整模型,并为模型加入韧带组织,建立完整的T12-Pelvis节段模型,并进行有限元网格划分。然后,将T12-Pelvis整体模型拆分为节段模型,包括T12-L1、L1-L2、L2-L3、 L3-L4、L4-L5、L5-S1、S1-Pelvis这几个节段模型,然后进行包括垂直压缩、侧弯、扭转,前屈、后仰等形式的静力学模拟仿真。将得到的结果与已经发表的优秀论文的结果进行对比分析,来说明模型建立的有效性和合理性,为静力学和动力学分析做好模型的准备工作。其次,对T12-Pelvis整体进行静态分析,分析的内容为驾驶员在驾驶车辆行驶的时候的不同坐姿,包括垂直坐姿,前俯坐姿、侧弯坐姿和扭转坐姿。从而获得驾驶员在这些坐姿下的脊椎生物力学特性。分析这些生物力学特性,从而为人体脊椎舒适性和安全性提供理论参考。最后,进行T12-Pelvis整体的动力学分析。动力学分析的内容包括了模态分析、谐响应分析和车辆随机振动的分析。在模态分析中,我们的主要目的是为了求得T12-pelvis整体模型的共振频率和共振时的振型,从而做出相应的防护措施。谐响应分析的目的是为了探求在一个比较大的频率区间内,脊椎的生物力学特性随频率的变化结果,从而早出我们需要防范的频率区间。车辆随机振动的分析是以路面不平整度为激励对脊椎的动态分析,从而得出在车辆行驶的过程中,脊椎对车辆振动产生的频率的敏感性,从而提前做好避开某些频率区间的措施。
【关键词】：脊椎 静态与动态分析 CT扫描建模 有限元分析 模型验证 随机振动
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R642;R322
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题的研究背景12-13
• 1.2 汽车平顺性概述13-15
• 1.3 脊椎生物力学国内外的发展状况概述15-20
• 1.3.1 腰椎模型有限元建模的发展15-17
• 1.3.2 骨盆有限元模型的研究发展17-18
• 1.3.3 椎间盘有限元模型的研究现状18-20
• 1.4 本文研究的主要内容20-22
• 第2章 T12-Pelvis模型的建立22-44
• 2.1 人体脊椎的介绍22-28
• 2.1.1 人体脊椎的生理结构22-23
• 2.1.2 腰椎椎体的结构23
• 2.1.3 椎间盘结构23-24
• 2.1.4 骨盆及其骶髂关节结构24-25
• 2.1.5 椎体韧带的种类和结构25-28
• 2.2 脊椎的生物力学特性28-32
• 2.2.1 椎体的生物力学特性28-30
• 2.2.2 椎弓的生物力学特性30
• 2.2.3 椎间盘的生物力学特性30-32
• 2.2.4 脊柱韧带的生物力学特性32
• 2.3 T12-Pelvis整体模型的建立32-42
• 2.3.1 CT扫描标本32-33
• 2.3.2 MIMICS中建立初始模型33-36
• 2.3.3 ANSYS建模36-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第3章 人体脊椎模型的有效性验证44-58
• 3.1 有效性验证原理及其必要性44
• 3.2 人体脊椎有效性验证方法44-45
• 3.3 有限元网格划分评价标准45-47
• 3.4 人体脊椎模型有效性验证的过程、结果和分析47-57
• 3.4.1 T12-L1节段的有效性验证47-49
• 3.4.2 L1-L2节段有效性的验证49-50
• 3.4.3 L2-L3节段有效性验证50-51
• 3.4.4 L3-L4节段有效性验证51-52
• 3.4.5 L4-L5节段有效性验证52-53
• 3.4.6 L5-S1节段有效性验证53-54
• 3.4.7 S1-Pelvis节段有效性验证54-55
• 3.4.8 T12-S1整体模型的有效性验证55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 驾驶员T12-Pelvis模型的力学分析58-92
• 4.1 T12-Pelvis整体模型的静力学分析58-67
• 4.1.1 垂直坐姿下T12-Pelvis的静力学分析58-61
• 4.1.2 前屈坐姿下T12-Pelvis的静力学分析61-63
• 4.1.3 侧弯坐姿下T12-Pelvis的静力学分析63-65
• 4.1.4 扭转坐姿下T12-Pelvis的静力学分析65-67
• 4.2 T12-Pelvis整体模型的动力学分析67-73
• 4.2.1 T12-Pelvis的整体模态分析68-73
• 4.3 T12-Pelvis整体的谐响应分析73-78
• 4.4 随机振动下T12-Pelvis的整体动态分析78-90
• 4.4.1 随机振动的分析原理78-79
• 4.4.2 路面随机输入的频域模型79-81
• 4.4.3 随机振动下T12-Pelvis整体的动态分析81-90
• 4.5 本章小结90-92
• 第5章 结论与展望92-94
• 5.1 课题的成果92-93
• 5.2 课题的展望93-94
• 参考文献94-100
• 致谢100

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