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6岁儿童胸部有限元模型的构建及验证
基于6岁儿童胸部CT图像,采用阈值分割方法,提取肋骨、肋软骨、胸骨、肺和心脏等组织的几何模型,利用逆向工程软件划分曲面片,导入Truegrid和Hypermesh中进行网格划分,建立胸部有限元模型,并利用Kroell尸体试验的缩放结果验证模型有效性.结果表明,碰撞速度为4.3 m/s时,撞击力随着位移的增大而增大,在位移为12.02 mm时撞击力达到大值579.90 N,然后随着位移的增大而减小；碰撞速度为6.7 m/s时,撞击力在位移为16.75 mm时达到大值980.35 N.模型撞击力-位移曲线变化趋势与实验结果基本吻合,验证了该模型的有效性.该模型为儿童胸部模型损伤机理的研究提供可靠的基础数据,同时可应用于儿童乘员损伤防护装置的开发和应用.
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足部有限元模型的构建与验证
背景:目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差.目的:基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型.方法:选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS 曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析.结果与结论:仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信.实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据.
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肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应
目的 研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础.方法 兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象.结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应.(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为.结论 肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量.建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率.
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侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响
目的 利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响.方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型；同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面.约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms.通过三维有限无分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响.结果 髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低；皮质骨上的应力峰值降低67.88％以上,松质骨上的峰值应力下降69.34％以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63％.结论 在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险.
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骨盆冲击损伤的生物力学研究进展
随着工业以及交通运输业的发展,交通伤和高处坠落伤的发生率逐年提升,严重威胁着人们的人身安全~([1]).积极采取有效措施避免事故发生及保障人身安全已成为世界许多国家关注的焦点问题.许多学者投入到这一领域的研究,且经过近几十年的努力取得了大量的成果,并逐步形成了一门新的学科--冲击损伤生物力学.对于颅脑、脊柱、胸腹以及下肢的冲击损伤研究较多,经过大量的实验和理论研究,在冲击损伤机理、生物力学响应、人的耐受性、人的代用品及人体防护等方面均取得了重要成果.而目前对于骨盆冲击损伤的研究较少,本文就骨盆冲击损伤的生物力学研究进展做一综述.
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肌肉生物仿真度对六岁儿童胸部碰撞生物力学响应的影响
由于可用于实验的儿童尸体的缺乏,采用具有较高生物仿真度的胸部有限元模型是研究儿童胸部损伤机理的重要手段.在已验证有效性的6岁儿童胸部有限元模型基础上构建了等效肌肉模型和具有真实几何形状的肌肉模型,通过重构儿童胸部正碰尸体实验分析肌肉生物仿真度对胸部损伤的影响.对比实验结果表明,等效肌肉模型的胸部接触力、胸部大压缩量和肋骨大范梅塞斯应力稍大于真实肌肉模型;心脏和肺的大主应变都略小于真实肌肉模型;真实肌肉模型曲线与尸体实验通道的相关性要大于等效肌肉模型.通过以上对比,本文研究结果认为具有真实几何形状肌肉的儿童胸部有限元模型应该能更准确地反映胸部受到碰撞时的生物力学响应.
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人体膝关节有限元动力学分析模型的建立与验证
根据乘员碰撞事故中人体膝关节的生物力学响应特性,应用有限元(FE)方法和碰撞模拟技术,构建了一个人体膝关节模型.模型按人体解剖学结构构建,由股骨内、外侧髁,胫骨内、外侧髁,腓骨小头、髌骨、软骨、半月板以及主要韧带构成.通过比较模型仿真和尸体碰撞实验在轴向载荷条件下膝关节受刚性碰撞的响应结果,验证了模型的有效性.该模型为研究人体膝关节损伤机理提供了可靠的基础数据,并可应用于乘员损伤防护装置的设计和开发.
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碰撞生物力学基础及其应用
碰撞生物力学亦称为损伤生物力学，是汽车被动性安全研究中人体防护的重要理论基础。在碰撞事故过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏，或导致正常生理功能变化或丧失，这时就发生了人体损伤，人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称之为损伤生物力学。笔者从汽车安全性研究出发，介绍损伤生物力学的一些基本概念和有关的研究方法。
