头盖骨多孔组织结构力学行为研究及替代结构设计
发布时间：2024-03-17 10:38
头盖骨是一种典型的轻量化点阵多孔结构,作为人脑的外部保护,对于维持生命安全至关重要。据统计,在人体各处损伤中,颅脑损伤发生的概率为10%20%,诸多领域对头盖骨损伤机制的研究提出了迫切的需求。鉴于头盖骨在外部环境中所面临的多重威胁,有必要对头盖骨的力学性能进行分析,揭示其力学行为及破坏机制。为此,建立精确的理论和数值模型、设计并制备出符合人体需求的仿生头盖骨结构已经成为亟待解决的科学问题。首先,回顾了骨材料的形态学特征和力学性能的国内外研究进展,并对micro-CT及重构技术进行了简要概述;然后,回顾了夹芯结构在冲击、弯曲载荷作用下的理论预报模型,以及头盖骨力学实验和数值模拟方面的重要成果;最后,分析了仿生骨结构的研究概况。相比于人股骨植入物的研究,人头盖骨仿生替代结构的设计与制备工作极少。为此,本文旨在建立头盖骨在冲击、弯曲载荷作用下的理论及数值模型,为揭示人头盖骨的力学行为及失效机制奠定基础。鉴于多级结构高比强、高比刚的性能优势,采用多层级思想设计头盖骨替代结构的单胞构型,为头盖骨植入物的临床应用提供参考依据。然后,采用数值方法系统地研究了二维多孔头盖骨截面受...
【文章页数】：161 页
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
1.2 多孔骨结构力学性能研究进展
1.3 Micro-CT扫描及重构技术的研究概况
1.4 夹芯结构理论模型的研究进展
1.4.1 夹芯结构的冲击理论模型
1.4.2 夹芯结构的弯曲理论模型
1.5 头盖骨力学性能研究进展
1.5.1 头盖骨的力学实验研究
1.5.2 头盖骨有限元分析
1.6 仿生骨头替代物研究进展
1.7 本文的主要研究内容
第2章 二维头盖骨的冲击响应与能量吸收
2.1 引言
2.2 冲击载荷作用下的头盖骨数值模型
2.2.1 头盖骨的微观结构
2.2.2 头盖骨的材料本构关系
2.2.3 头盖骨的数值建模过程
2.2.4 数值模型可行性验证
2.3 结果与讨论
2.3.1 冲击速度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.2 冲击角度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.3 冲击物形状对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.4 冲击物密度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.5 截面位置对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.6 冲击物半径对头盖骨抗冲击性能的影响
2.4 本章小结
第3章 三维头盖骨的抗冲击性能研究
3.1 引言
3.2 头盖骨的形态学特征
3.2.1 Micro-CT扫描技术
3.2.2 孔洞梯度分布
3.3 头盖骨冲击载荷下的理论模型
3.3.1 三层等效理论模型
3.3.2 五层等效理论模型
3.3.3 一层等效理论模型
3.4 头盖骨冲击载荷下的三维数值模型
3.5 结果与讨论
3.5.1 抗冲击性能
3.5.2 数值结果与已有冲击实验结果的对比
3.5.3 结构参数的影响
3.6 本章小结
第4章 多孔头盖骨的弯曲性能研究
4.1 引言
4.2 三点弯曲载荷作用下的头盖骨数值模型
4.3 三点弯曲载荷作用下的头盖骨理论模型
4.4 结果与讨论
4.4.1 三点弯曲和四点弯曲载荷
4.4.2 头盖骨的宽度和跨距对结构弯曲性能的影响
4.4.3 数值结果和理论结果的比较
4.4.4 均布载荷
4.5 本章小结
第5章 头盖骨多级替代结构的设计
5.1 引言
5.2 多级结构的面外压缩性能
5.2.1 超轻夹芯结构的评价
5.2.2 多级结构的等效面外压缩刚度
5.2.3 多级结构的等效面外压缩强度
5.2.4 面外压缩载荷下的数值模拟
5.2.5 多级单胞构型面外压缩性能对比
5.3 多级结构的三点弯曲性能
5.4 快速成型工艺后处理
5.5 微点阵制备工艺及应用前景
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 金字塔点阵桁架所受外载荷
附录B 四分之一单胞的侧向压缩载荷
附录C 一级金字塔单胞的等效抗弯刚度
附录D 一级金字塔单胞受力分析
附录E 等截面金字塔点阵结构的面外压缩性能
附录F 波纹板-金字塔多级点阵结构的面外压缩性能
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3930905
【文章页数】：161 页
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摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
1.2 多孔骨结构力学性能研究进展
1.3 Micro-CT扫描及重构技术的研究概况
1.4 夹芯结构理论模型的研究进展
1.4.1 夹芯结构的冲击理论模型
1.4.2 夹芯结构的弯曲理论模型
1.5 头盖骨力学性能研究进展
1.5.1 头盖骨的力学实验研究
1.5.2 头盖骨有限元分析
1.6 仿生骨头替代物研究进展
1.7 本文的主要研究内容
第2章 二维头盖骨的冲击响应与能量吸收
2.1 引言
2.2 冲击载荷作用下的头盖骨数值模型
2.2.1 头盖骨的微观结构
2.2.2 头盖骨的材料本构关系
2.2.3 头盖骨的数值建模过程
2.2.4 数值模型可行性验证
2.3 结果与讨论
2.3.1 冲击速度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.2 冲击角度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.3 冲击物形状对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.4 冲击物密度对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.5 截面位置对头盖骨抗冲击性能的影响
2.3.6 冲击物半径对头盖骨抗冲击性能的影响
2.4 本章小结
第3章 三维头盖骨的抗冲击性能研究
3.1 引言
3.2 头盖骨的形态学特征
3.2.1 Micro-CT扫描技术
3.2.2 孔洞梯度分布
3.3 头盖骨冲击载荷下的理论模型
3.3.1 三层等效理论模型
3.3.2 五层等效理论模型
3.3.3 一层等效理论模型
3.4 头盖骨冲击载荷下的三维数值模型
3.5 结果与讨论
3.5.1 抗冲击性能
3.5.2 数值结果与已有冲击实验结果的对比
3.5.3 结构参数的影响
3.6 本章小结
第4章 多孔头盖骨的弯曲性能研究
4.1 引言
4.2 三点弯曲载荷作用下的头盖骨数值模型
4.3 三点弯曲载荷作用下的头盖骨理论模型
4.4 结果与讨论
4.4.1 三点弯曲和四点弯曲载荷
4.4.2 头盖骨的宽度和跨距对结构弯曲性能的影响
4.4.3 数值结果和理论结果的比较
4.4.4 均布载荷
4.5 本章小结
第5章 头盖骨多级替代结构的设计
5.1 引言
5.2 多级结构的面外压缩性能
5.2.1 超轻夹芯结构的评价
5.2.2 多级结构的等效面外压缩刚度
5.2.3 多级结构的等效面外压缩强度
5.2.4 面外压缩载荷下的数值模拟
5.2.5 多级单胞构型面外压缩性能对比
5.3 多级结构的三点弯曲性能
5.4 快速成型工艺后处理
5.5 微点阵制备工艺及应用前景
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 金字塔点阵桁架所受外载荷
附录B 四分之一单胞的侧向压缩载荷
附录C 一级金字塔单胞的等效抗弯刚度
附录D 一级金字塔单胞受力分析
附录E 等截面金字塔点阵结构的面外压缩性能
附录F 波纹板-金字塔多级点阵结构的面外压缩性能
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3930905
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