头盖骨微观多孔组织结构及弯曲性能研究

发布时间：2017-08-07 09:04

  本文关键词：头盖骨微观多孔组织结构及弯曲性能研究

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【摘要】：头盖骨作为抵御外部冲击对脑组织破坏的介质,对于保障人的生命安全具有及其重要的作用。然而数据表明,头盖骨也是人体最易遭受创伤的部位。因此,对头盖骨在外部载荷作用下的变形和失效机制研究成为众多学者关注的焦点。研究头盖骨受到损伤时的生物力学行为对于头部损伤的预防、替代材料的开发、防护装备设计、新型结构研发以及司法鉴定等具有重要的意义。头盖骨的实验研究方法具有诸多缺陷和限制,因此本文将采用有限元模拟的方法对头盖骨在准静态作用下的弯曲性能和失效机制进行研究。首先,对头骨样品进行了CT扫描,获取了头骨的二维断层图像。利用逆向工程技术,获取了与真实头骨相似度较高的三维重建头骨模型并重建出了头骨的二维断层截面。基于重建的头骨截面,获得了二维拉伸头骨模型和多截面组合头骨模型两种头骨的简化模型。其次,采用不同的本构模型模拟了二维拉伸头骨模型的三点弯曲实验,模拟结果表明,两种本构的模拟所获得的极限载荷和弯曲强度均在其他学者的实验范围内,证明了本构模型的可靠性。分别考察了头盖骨在三点弯曲作用、分布载荷作用以及外力挤压等不同工况下的破坏模式。研究了年龄因素对头盖骨力学性能的影响。选取了不同的重构截面,比较了不同截面的二维拉伸头盖骨模型的力学性能差异。再次,对多截面组合头骨模型的三点弯曲进行了有限元模拟,分析了其载荷—位移曲线特征及应力分布状态,并对比了多截面组合头骨模型与二维拉伸头骨模型的承载能力差异。模拟了多截面组合头骨模型在分布载荷作用下的变形和失效,并考察了头骨的承载能力与分布载荷作用范围之间的关系。最后,分别模拟了长度沿x、y方向的两个三维重建头骨模型在分布载荷作用下的力学性能和失效机制,分析了两个模型弹性阶段的应力分布状态和破坏过程,并比较了方向互相垂直的两个头骨力学性能的差异,证明了头骨的各向异性特征。对比分析了三种有限元模型的承载能力、断裂过程和计算成本差异。
【关键词】：头盖骨模型 准静态作用 弯曲性能 失效机制 有限元模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.01
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题的来源及研究的背景和意义10-11
• 1.1.1 课题研究的来源10
• 1.1.2 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 人体头骨力学性能的实验研究11-17
• 1.2.1 成人头骨的几何构型及特征研究11-13
• 1.2.2 成人头骨力学性能的实验研究13-16
• 1.2.3 婴儿头骨的力学性能研究16-17
• 1.2.4 动物头骨力学性能研究17
• 1.3 人体头骨力学性能的有限元模拟研究17-19
• 1.4 头骨替代材料的研究与开发19-20
• 1.5 本文的主要研究内容20-22
• 第2章 头盖骨有限元模型的建立22-28
• 2.1 引言22
• 2.2 CT扫描建模的特点22-23
• 2.3 头骨的显微CT扫描23
• 2.4 头骨的断面重建23-25
• 2.5 头骨三维有限元模型的建立25-27
• 2.5.1 头骨三维模型重建25
• 2.5.2 头骨几何模型处理25-26
• 2.5.3 有限元模型的生成26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 二维拉伸头骨模型弯曲性能研究28-48
• 3.1 引言28
• 3.2 有限元模型的建立28-30
• 3.2.1 三点弯曲几何模型28-29
• 3.2.2 有限元模型参数设置29-30
• 3.3 不同本构模型的三点弯曲性能研究30-36
• 3.3.1 采用双线性本构模型研究30-33
• 3.3.2 采用Drucker Prager准则模型研究33-35
• 3.3.3 不同本构模型的比较35-36
• 3.4 年龄对头骨力学性能的影响36-38
• 3.5 不同载荷工况下头骨的力学性能研究38-42
• 3.5.1 分布载荷作用38-41
• 3.5.2 外部挤压作用41-42
• 3.6 不同截面的头骨力学性能研究42-47
• 3.7 本章小结47-48
• 第4章 多截面组合头骨模型弯曲性能研究48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 回归与相关48-49
• 4.3 头骨几何模型的建立49-51
• 4.4 头骨的三点弯曲性能51-56
• 4.4.1 有限元建模过程51-52
• 4.4.2 三点弯曲有限元模拟52-56
• 4.5 头骨承受分布载荷作用56-60
• 4.6 本章小结60-62
• 第5章 三维重建头骨模型弯曲性能研究62-75
• 5.1 引言62
• 5.2 X方向头骨力学性能研究62-67
• 5.2.1 三维重建头骨模型62-63
• 5.2.2 头骨承受分布载荷作用63-66
• 5.2.3 分布载荷范围对头骨力学性能的影响66-67
• 5.3 三种头骨模型的比较67-69
• 5.4 Y方向头骨力学性能的研究69-74
• 5.4.1 头骨切割的位置69-70
• 5.4.2 头骨在分布载荷下的力学性能70-72
• 5.4.3 不同方向头骨力学性能的比较72-74
• 5.5 本章小结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果83-85
• 致谢85

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本文编号：633810