基于多孔弹性模型的脊椎关节生物力学特性和体液流动特性研究
发布时间：2021-02-06 22:16
建立了L4/L5段人体腰椎关节的非线性多孔弹性有限元模型,并对其施加1000N振动载荷1h,考察在不同的振动频率（1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz）下腰椎关节的变形、应力分布和体液流动情况;并对不同频率作用下脊椎组织的生物力学特性进行了对比分析。结果表明,在不同频率振动载荷下,脊椎模型的应力分配、体液流量都呈现与振动载荷不同的周期性波动变化。振动载荷频率等于腰椎关节的固有频率11.5Hz时,椎间盘应力分配和体液流量波动的幅值最短;而振动频率为4Hz、8Hz、15Hz时各项指标波动的幅值比11.5Hz时小。振动过程中,椎间盘内外压力梯度的变化引起体液的流动,振动时间越长,总流失量越大。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图阶段椎间盘体液的流速矢量图(porefluideffectivevelocityofthediscundervibration(porefluideffectivevelocityofthediscatunloadingstepf=15Hzf=15Hz(a)1Hz、8Hz、
226应用力学学报第37卷荷作用下椎间盘关节的变形和应力分布情况，并且考察振动载荷作用下体液的流量及流速变化情况。2研究方法和步骤利用ABAQUS6.10建立L4/L5段腰椎关节及其后部单元的多孔弹性特性有限元模型，并对模型在振动载荷(1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz)下进行仿真分析。根据仿真数据对椎体变形、应力分配、椎间盘中的体液流动情况进行对比研究。2.1建模本次研究是在以往研究的基础上去掉L1-L3椎体关节，即本模型包括L4-L5椎体关节和位于两者之间的椎间盘，以及椎体和椎间盘之间的软骨终板，然后对模型赋予多孔弹性特性，对比研究其在不同的振动频率下椎体变形、应力分配、椎间盘中的体液流动情况[4]。椎间盘的上下椎体、髓核、终板、纤维环基质等部分相应的赋予单元类型为20节点减缩积分二次插值单元C3D20RP，纤维环的纤维部分采用杆单元形成的桁架嵌入到纤维环基质中的结构形式，模型见图1。其中θ表示椎间盘的夹角，F0表示后部肌肉力，站立姿势时椎间盘的夹角θ为3.35°，F0为317N[4]。体液主要是在髓核、纤维环、终板和骨松质之间流动，所以将这几部分赋予多孔弹性材料的特性，本文所研究的椎体关节模型属于非饱和两相多孔介质，各部分机构的材料力学参数引自参考文献[3]，见表1。表1L4/L5脊椎关节材料特性参数[3]Tab.1MaterialpropertiesforL4/L5motionsegment[3]组成(components)杨氏模量(Young’smodulus)E/MPa泊松比(Poisson’sratio)初始孔隙比(initialvoidratio)0e初始渗透率(initialpermeability)1540-1/10m(Ns)k修
228应用力学学报第37卷现3个驻点，11.5Hz在500s、1300s、2200s和3000s出现4个驻点，15Hz在400s、1100s、1800s、2500s和3300s出现5个驻点。11.5Hz和15Hz下环内的孔压应力在开始的300s内也是下降的，15Hz下环的孔压应力波动幅值明显小于8Hz和11.5Hz。图51Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振动载荷作用下纤维环孔压应力的变化Fig.5Variationofporepressureoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hz,15Hz从图6振动载荷作用下纤维环内的有效应力变化曲线可以看出：纤维环有效应力总体都呈下降趋势，1Hz下纤维环内的有效应力不断降低最后达到0.08MPa；4Hz下环内的有效应力前500s内降低到0.15MPa，随后逐渐增加到2500s的0.23MPa，然后又开始呈现下降趋势；8Hz下环内的有效应力波动降低，分别在900s、1700s和3000s出现3个驻点；11.5Hz下环内的有效应力先上升然后波动降低，分别在500s、1400s、2000s和3000s出现4个驻点；15Hz下环内的有效应力也是先上升然后波动降低，分别在350s、1100s、1800s、2500s和3200s出现5个驻点。图61Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振动载荷作用下纤维环有效应力的变化Fig.6Variationofeffectivestressoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hzand15Hz从图2~图6可以发现，在不同频率的振动载荷作用下，椎间盘的体液流量、应力分配都呈现一定的周期性，而这个周期与振动载荷的周期是完全不同的。以上数据均是每隔100s定点输出的。实际上，振动载荷作用下的各项数值的变化是与载荷的频率密切相
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究[J]. 李睿,郭立新. 应用力学学报. 2013(04)
本文编号：3021178
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图阶段椎间盘体液的流速矢量图(porefluideffectivevelocityofthediscundervibration(porefluideffectivevelocityofthediscatunloadingstepf=15Hzf=15Hz(a)1Hz、8Hz、
226应用力学学报第37卷荷作用下椎间盘关节的变形和应力分布情况，并且考察振动载荷作用下体液的流量及流速变化情况。2研究方法和步骤利用ABAQUS6.10建立L4/L5段腰椎关节及其后部单元的多孔弹性特性有限元模型，并对模型在振动载荷(1Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz)下进行仿真分析。根据仿真数据对椎体变形、应力分配、椎间盘中的体液流动情况进行对比研究。2.1建模本次研究是在以往研究的基础上去掉L1-L3椎体关节，即本模型包括L4-L5椎体关节和位于两者之间的椎间盘，以及椎体和椎间盘之间的软骨终板，然后对模型赋予多孔弹性特性，对比研究其在不同的振动频率下椎体变形、应力分配、椎间盘中的体液流动情况[4]。椎间盘的上下椎体、髓核、终板、纤维环基质等部分相应的赋予单元类型为20节点减缩积分二次插值单元C3D20RP，纤维环的纤维部分采用杆单元形成的桁架嵌入到纤维环基质中的结构形式，模型见图1。其中θ表示椎间盘的夹角，F0表示后部肌肉力，站立姿势时椎间盘的夹角θ为3.35°，F0为317N[4]。体液主要是在髓核、纤维环、终板和骨松质之间流动，所以将这几部分赋予多孔弹性材料的特性，本文所研究的椎体关节模型属于非饱和两相多孔介质，各部分机构的材料力学参数引自参考文献[3]，见表1。表1L4/L5脊椎关节材料特性参数[3]Tab.1MaterialpropertiesforL4/L5motionsegment[3]组成(components)杨氏模量(Young’smodulus)E/MPa泊松比(Poisson’sratio)初始孔隙比(initialvoidratio)0e初始渗透率(initialpermeability)1540-1/10m(Ns)k修
228应用力学学报第37卷现3个驻点，11.5Hz在500s、1300s、2200s和3000s出现4个驻点，15Hz在400s、1100s、1800s、2500s和3300s出现5个驻点。11.5Hz和15Hz下环内的孔压应力在开始的300s内也是下降的，15Hz下环的孔压应力波动幅值明显小于8Hz和11.5Hz。图51Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振动载荷作用下纤维环孔压应力的变化Fig.5Variationofporepressureoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hz,15Hz从图6振动载荷作用下纤维环内的有效应力变化曲线可以看出：纤维环有效应力总体都呈下降趋势，1Hz下纤维环内的有效应力不断降低最后达到0.08MPa；4Hz下环内的有效应力前500s内降低到0.15MPa，随后逐渐增加到2500s的0.23MPa，然后又开始呈现下降趋势；8Hz下环内的有效应力波动降低，分别在900s、1700s和3000s出现3个驻点；11.5Hz下环内的有效应力先上升然后波动降低，分别在500s、1400s、2000s和3000s出现4个驻点；15Hz下环内的有效应力也是先上升然后波动降低，分别在350s、1100s、1800s、2500s和3200s出现5个驻点。图61Hz、4Hz、8Hz、11.5Hz、15Hz振动载荷作用下纤维环有效应力的变化Fig.6Variationofeffectivestressoftheannulusundervibrationof1Hz,4Hz,8Hz,11.5Hzand15Hz从图2~图6可以发现，在不同频率的振动载荷作用下，椎间盘的体液流量、应力分配都呈现一定的周期性，而这个周期与振动载荷的周期是完全不同的。以上数据均是每隔100s定点输出的。实际上，振动载荷作用下的各项数值的变化是与载荷的频率密切相
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究[J]. 李睿,郭立新. 应用力学学报. 2013(04)
本文编号：3021178
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