基于光滑有限元的脑组织响应分析及其本构参数反求

发布时间：2020-10-27 15:27

　　随着汽车保有量和交通事故的迅速增加,碰撞损伤生物力学的研究逐渐受到了科研人员的重视。有限元方法作为研究生物组织碰撞损伤的有效工具,对脑组织耐受限度以及损伤机理的研究具有极其重要的意义。然而,在使用有限元方法重现脑组织碰撞损伤的过程中,需要严格设定相应组织材料的关键性力学参数。只有给定了准确的脑组织材料力学参数,才能够根据有限元技术得到切合实际的碰撞损伤过程以及损伤数据,以更加精确的研究脑组织在碰撞过程中的力学响应。然而,受到实验条件以及脑组织结构复杂性等因素的限制,很难通过实验的方法直接获取脑组织的关键性力学参数,只能使用恰当的方法间接获取。因此,基于有限元方法的材料参数反求技术日益成为参数获取的重要手段。本文从碰撞损伤生物力学的角度出发,将脑组织无约束压缩实验、光滑有限元技术以及计算反求技术结合起来,力求在基于光滑有限元方法的脑组织参数反求领域开展一些有意义的研究工作并获取一套较为准确的脑组织本构模型参数,提高脑组织有限元仿真模型的精度。基于此思路,本文开展了如下工作:(1)开展了基于不规则脑组织试样的无约束压缩实验,并获取了实验试样的三维几何模型和压缩力实验数据。使用万能试验机、手持式三维扫描仪以及力学传感器等设备,开展了脑组织的真实力学实验并获取了相应的实验数据,为后续计算反求算法的开展提供必要的数据支撑。同时,分析了实验结果数据,研究了脑组织在压缩工况下的压缩力随时间的变化特性,确定并推导了脑组织的本构关系以作为自编代码中脑组织的本构模型。(2)研究了面向脑组织无约束压缩的光滑有限元方法,并使用仿真实例验证了代码的准确性,为脑组织本构模型参数反求提供了有效的正问题求解器。为了保证脑组织无约束压缩实验正问题能够有效地得到真实的材料响应,基于超弹性本构模型与粘弹性本构模型相结合的方式,借助光滑有限元技术构建了脑组织无约束压缩实验的仿真代码。另外,为了验证仿真代码的准确性与可行性,分别使用仿真代码和商业软件开展了标准圆柱体试件以及不规则的脑组织试件在同种工况下的仿真分析并分别对比了仿真的形变结果数据以及压缩力结果数据。对比结果表明,仿真代码与商业软件的仿真结果十分接近,仿真代码能够正确描述试样在压缩过程中的形变结果和压缩力结果。因此,仿真代码具有较高的仿真准确性并且可以作为脑组织本构模型参数反求的正问题。(3)基于敏感性分析确定了脑组织本构中的待反求参数,并结合光滑有限元仿真和遗传算法进行了脑组织本构模型的参数反求。首先,采用了遗传算法作为参数的反求算法,在确保反求效率的前提下提高反求参数结果的精度。其次,为了保证参数反求结果的可靠性,分别分析了超弹性待反求参数以及粘弹性待反求参数的敏感性。再次,根据试算法确定了恰当的反求区间,并对脑组织的本构参数进行了反求。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318.01
【部分图文】：

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在无约束压缩实验的相关仪器设备调试完成以后，将猪脑组织从５°Ｃ的生理盐水??中提取出来并即刻使用经过多重消毒后的外科手术刀切割脑组织以制备实验试样，??最终得到的脑组织实验试样如图２．１所示。??Ｑ?〇?＾?Ｉ?ＨＰ?０?°?〇??￥?乂私??Ｉ?？?９?１?％＠??图２．１脑组织实验试样??随后，借助手持式三维扫描仪来获取实验试样复杂的三维几何模型，使用刻??度盘以简单的测量试样的几何尺寸，为后续脑组织的光滑有限元模型构建提供必??１１??

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验试样外表面后会发生光的反射和折射。这些光线的反射以及折射信息将会被扫??描仪接收，然后将这些信息转化为脑组织实验试样的数字几何模型，得到的脑组??织实验试样三维几何模型如图２．２所示。另外，为了避免脑组织离体时间过长而??使其生物力学特性产生较大的变化，上述各项操作应尽可能快的完成并及时开展??脑组织的无约束压缩实验。??图２．２脑组织三维几何模型??２．２．２无约束压缩实验装置??脑组织的无约束压缩实验是在湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实??验室开展的。其中，使用的实验设备为材料性能试验机，如图２．３所示。材料性??能试验机能够开展材料的压缩实验、拉伸实验、剪切实验以及弯曲实验等多种实??验。材料性能试验机是由测量系统、控制系统、驱动系统以及电脑系统等部分构??成，能够充分发挥各个组成部分的优势，具有速度调节范围较宽、实验精度较高、??仪器结构较为紧凑、实际操作较为简便以及设备性能较为稳定等优势并且能够实??时的对实验数据进行记录显示。万能试验机可以很好地完成塑料材料、橡胶材料、??纸质材料、纺织材料以及防水材料等材料试样以及成品件的压缩实验、拉伸实验、??弯曲实验、蠕变实验等多种实验。??１２??

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