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股骨有限元分析設(shè)置材料屬性的方法研究

發(fā)布于:2017-05-04 19:56
有限元分析
      得益于電腦技術(shù)的高速發(fā)展,目前個人電腦已可在Windows操作系統(tǒng)下完成骨骼三維重建,并進行有限元分析。進行骨骼有限元分析的重要條件之一是確定骨骼內(nèi)不同部位的材料屬性,既往的骨骼有限元研究多認為構(gòu)成骨骼的材料呈均勻分布,將骨骼簡單區(qū)分成密質(zhì)骨和松質(zhì)骨,分別賦予彈性模量和泊松比等材料屬性后進行有限元分析。由于骨骼是由多種材料構(gòu)成的復(fù)合體,這些材料各具不同力學(xué)特性,呈異質(zhì)性分布,并具有明顯個體差異,因而作者認為,簡單地將骨骼區(qū)分成密質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩種成分進行有限元分析,其結(jié)果與真實相異。亦有學(xué)者將股骨材料屬性分為10種,據(jù)此進行有限元分析。如何合理賦骨骼材料屬性進行有限元分析,迄今仍無相關(guān)報道。作者利用醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics根據(jù)灰度值確定材料屬性的功能,對12側(cè)新鮮股骨上段標本進行三維重建后賦予2種(密質(zhì)骨及松質(zhì)骨)及10, 20, 50, 100, 200, 400種材料屬性,進行有限元分析,旨在探討合理的賦材料屬性數(shù)量,以期為相關(guān)骨骼三維重建研究提供參考。根據(jù)灰度值進行計算表觀密度和彈性模量研究表明,骨骼表觀密度p與C具有近似的線性關(guān)系,骨骼材料特性與骨骼表觀密度存在冪指數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式,骨骼是一種各向異性的生物材料,但其各向異性彈性常數(shù)太多,故一般簡化為正交各向異性,同時由于骨骼各向異性較弱,故尚可進一步簡化為各向同性。  
      據(jù)此,Mimics根據(jù)骨骼不同區(qū)域的灰度值以及經(jīng)驗公式可以計算出對應(yīng)區(qū)域的密度,并在此基礎(chǔ)上賦予彈性模量及泊松比等力學(xué)材料屬性,很好地解決了為模型分配材料屬性的問題,可以進行Ansys求解。綜合上述,將骨骼從無限分解成為有限的單元進行力學(xué)求解,體現(xiàn)出有限元分析的本質(zhì)特征。
      單元劃分數(shù)目、賦材料屬性數(shù)量有限元分析的精確度也與單元網(wǎng)格的劃分密切相關(guān),單元的個數(shù)越多,網(wǎng)格越密,模型網(wǎng)格質(zhì)量也越高,所得結(jié)果也越接近真實;同理,賦予骨骼材料屬性數(shù)量越多,其分布就越接近真實骨骼。但無限制地細分單元和材料屬性,使運算量以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計量增多,徒然耗費時間及人力,因而合理地劃分材料屬性數(shù)量以減少運算量、縮短運算時間是進行有限元分析的重要前提。Mimics最大能將材料等分成400種,探討合理的賦材料屬性數(shù)量為本試驗主要目的。
      試驗結(jié)果分析本試驗所有標本均成功進行了三維重建、體網(wǎng)格劃分、賦材料屬性以及有限元力學(xué)分析。力學(xué)數(shù)值的統(tǒng)計學(xué)處理結(jié)果顯示:①標本1,5,6,7,9,10的對照組與各試驗組比較P < 0.05,標本2,3,4,8,11,12的對照組與試驗組比較P>0.05。傳統(tǒng)方法把骨骼簡化成密質(zhì)骨及松質(zhì)骨,并認為二者內(nèi)部材料分布以及力學(xué)屬性是均一的,與真實情況相去甚遠,事實上密質(zhì)骨、松質(zhì)骨也是由不同生物材料構(gòu)成的復(fù)合體,這些材料各具不同的灰度值、表觀密度值及力學(xué)屬性,賦予三維模型材料屬性越多,與真實情況就越接近。在賦材料屬性方而,將骨骼等分成不同數(shù)量級的方法優(yōu)于傳統(tǒng)。本試驗對照組和各試驗組結(jié)果有異同之處,并非完全否定賦材料屬性方法,可以把骨骼材料看成是密質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩種材料進行有限元分析以簡化計算及統(tǒng)計量。應(yīng)該看到,傳統(tǒng)方法難以滿足個性化的骨骼有限元分析的要求,骨骼的密度在不同個體可以有較大差異,傳統(tǒng)方法對此差異無能為力,而將骨骼等分成不同數(shù)量級,根據(jù)灰度值進行賦材料屬性則較好地解決了這個問題。②試驗組組別之間比較各P>0.89,賦予骨骼10種材料屬性即可滿足有限元分析的需求,而無需更細分以至加大運算量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計量。


                                                                                  專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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