行人下肢高精度数值模型与损伤参数研究

为了深入研究汽车-行人碰撞过程中下肢的生物力学响应和损伤机理,基于人体解剖学结构建立了具有完整下肢组织结构和高仿生精度的成年男性行人下肢有限元模型.包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨等下肢骨骼以及皮肤、肌肉、韧带、关节囊、半月板等重要软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,提出以CT断面影像数据为依据,建立以真实皮质骨内外表面为边界实现皮质骨断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型,对不同建模方式进行了对比,采用两层实体单元模拟皮质骨以获得相对较高的计算精度和计算效率.通过模拟相关生物力学实验,获得了行人下肢各部位的损伤参数,分析了皮质骨厚度变化以及不同撞击方向对下肢损伤参数和损伤机理的影响.上述损伤参数的获得可为我国汽安全性设计提供参考.     

中国人肋骨密质骨厚度的测定与特征分析

汽车碰撞事故中,肋骨密质骨厚度分布对肋骨骨折特性有显著影响,其形态学特征与人体参数等因素密切相关。该文定量描述了肋骨密质骨厚度分布,并分析了年龄、性别、身高和身高质量指数(BMI)等人体参数的影响。以60例中国人医学计算机断层扫描(CT)图像数据为样本,采用基于CT值分布特征的肋骨密质骨厚度测量方法,对每例CT图像的左侧12根肋骨进行了分布式测量。应用统计学方法,研究了位置和人体参数对肋骨密质骨厚度的影响。结果表明:肋骨序号、肋骨截面序号、测量点位置等位置参数和性别、身高、BMI等人体参数均对肋骨密质骨厚度具有显著影响。该研究所确立的肋骨密质骨厚度分布模型可应用于开发参数化人体有限元模型,有助于定量研究人体参数对肋骨骨折的影响。     

行人下肢有限元模型的建立与验证研究

下肢损伤是行人与车辆碰撞事故中的主要损伤形式之一,建立具有较高生物逼真度的行人下肢有限元模型,可以为下肢保护提供有效的研究手段.在下肢长骨(股骨、胫骨、腓骨)、韧带(ACL,PCL,MCL,LCL)及膝关节得到全面验证的基础上,建立了包含骨骼、韧带、肌肉及皮肤等详细解剖学结构的行人下肢有限元模型,并定义了各组织间的接触.利用行人下肢弯曲的生物力学实验,对下肢有限元模型进行了整体弯曲验证.结果显示,下肢有限元模型的损伤形式、损伤发生时刻、膝关节弯矩和弯曲角度均与实验结果吻合较好,能够较真实地反映行人下肢的损伤和生物力学响应,具有较好的生物逼真度.     

密质骨厚度对儿童骨盆碰撞损伤影响分析

研究了应用有限元模型预测汽车侧面碰撞中儿童骨盆生物力学响应及损伤评估问题.首先,基于3岁儿童CT数据和有限元方法构建了一个具有真实人体解剖结构的3岁儿童骨盆有限元模型,并重构儿童尸体骨盆侧面碰撞实验,模型仿真结果与尸体实验曲线的趋势相一致,模型仿真结果大部分在尸体实验结果通道内,验证了模型的有效性.然后,应用该模型探讨了密质骨厚度对儿童骨盆损伤生物力学响应的影响.结果表明:儿童骨盆容易发生骨折的位置主要在耻骨支、骶髂关节、髂骨翼;密质骨厚度对儿童骨盆耻骨支的影响最大.该模型也为儿童骨盆碰撞损伤研究提供了有效手段.     

中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发

针对中国人体特征进行损伤生物力学研究的重要目的是为完善中国汽车安全法规提供科学依据.为了深入探讨中国人体损伤生物力学机理和损伤响应,根据中国人体解剖学结构,建立了具有较高精度的中国50百分位成年男性乘员的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,建立皮质骨不等断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型.筛选并汇总国内外尸体实验数据,在准静态和动态加载下验证长骨和上肢模型的可靠性,以及肩关节侧面碰撞响应.结果表明,该模型能准确反映人体上肢损伤特性.     

羚牛股骨密质骨力学性能的实验研究

为了对国家一级保护动物——羚牛的骨生物力学和临床医学提供必要的骨力学参数,对羚牛新鲜股骨密质骨的拉伸与压缩力学性能进行了实验研究,用光学显微镜和扫描电镜观测了其微观结构,并与同属牛科的家牛进行了比较。实验得到了羚牛新鲜股骨密质骨沿轴向压缩和拉伸弹性模量分别为5.41GPa和0.98GPa,密质骨的力学性能在股骨的不同位置差异不显著。扫描电镜的观察表明:羚牛股骨密质骨在微观结构上是由丛状骨和哈佛氏系统组成的,其中哈佛氏系统沿径向的分布比较平均。     

人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

为了研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理,建立了一个人体下肢有限元模型．模型按人体解剖学结构建立,由髋骨、股骨、胫骨、腓骨、膑骨、足骨、韧带、腱、关节囊以及髋关节、膝关节和踝关节构成．采用了壳单元和线性弹簧-阻尼单元来模拟骨骼和软组织．模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定．通过比较仿真和实验在横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应结果,验证了模型的生物逼真度．分析了在不同加载条件下有限元模型的生物力学响应和应力分布,以及与下肢损伤风险的关系．     

工业机器人绝对定位误差的建模与补偿

为了提高机器人的绝对定位精度,建立了机器人绝对定位误差模型并进行了补偿方法研究.将定位误差分为几何参数误差与柔度误差,分别建立相应的误差模型.几何参数误差研究以MD-H(修正型D-H)运动模型为基础,对柔度误差的影响进行了解耦,并考虑了机器人基坐标系与测量坐标系的转换误差,提出了基于相对位置的几何参数误差模型.柔度误差研究针对机器人的构造特点,建立了针对关节2和3的误差模型,简化了计算模型.最后基于所建立的两种误差模型,提出了误差补偿方法,并采用该方法对机器人进行了实际补偿实验.结果表明,平均绝对定位精度由补偿前的1.173 mm降至补偿后的0.158 mm,说明文中方法可有效提高机器人的绝对定位精度,扩展机器人的应用范围.     

油门踏板对驾驶员下肢损伤的影响

汽车正面碰撞中驾驶员脚部与油门踏板直接作用,其力学性能是影响驾驶员下肢损伤的重要因素之一.然而,现阶段在对驾驶员下肢损伤的仿真研究中,油门踏板常被忽略或者使用刚体模型模拟,不能准确反映踏板对驾驶员下肢的作用情况且无法研究踏板断裂吸能对驾驶员下肢损伤的影响.针对这一情况,文中建立了详细的油门踏板有限元模型,并通过6组踏板部件实验充分验证了模型的有效性.基于该模型研究了踏板摩擦系数、旋转刚度、踏板行程、踏板侵入量和断裂扭矩等参数对驾驶员下肢损伤的影响.结果表明,油门踏板断裂扭矩对驾驶员下肢损伤具有显著的影响,降低踏板断裂扭矩能够有效地降低驾驶员胫骨力和胫骨指数,进而降低驾驶员下肢损伤的风险.研究结果指出了可断裂式踏板设计对驾驶员下肢损伤防护的意义,并为油门踏板结构设计提供参考.     

基于个体材料和几何特性的人体股骨振动模态分析

通过对一个志愿者股骨CT断层扫描图像的处理,构造了完整的个体化的股骨实体模型;针对模型骨的几何和材料特性,从CT图像中获得模态分析所需的参数,用有限元方法进行了股骨振动模态分析,提取出股骨的前6阶模态,并对人体长骨的6阶振型的固有频率进行了计算、分析.这将在生物力学和股骨振动频率方面为开展适用于中国人骨骼特征的假体设计提供重要依据.     

热连轧粗轧区FES宽展模型及其优化

为了满足某厂1580热连轧机宽度控制精度需求,提高宽展模型的广泛适用性,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,对热轧粗轧区立轧--平轧过程进行了模拟.根据模拟数据,系统地分析了轧件宽度、厚度、轧辊直径、立辊侧压量和厚度压下量对"狗骨"宽展、自然宽展和绝对宽展的影响规律.利用模拟数据并结合现场数据构造了FES(finite element simulation)"狗骨"宽展模型和自然宽展模型,并建立了PSO-BP神经网络(粒子群BP神经网络).最后,FES宽展模型与PSO--BP神经网络相结合预报第1、3和5道次的宽展,其预报值与实测值误差在1mm以内的均达到了99%以上,达到了宽度控制的精度要求.     

半骨盆截肢后自体下肢长骨重建坐姿的生物力学研究

利用截肢后废弃的自体长骨重建半骨盆环是一种有效的生物学重建方法,其生物力学性质从未被研究过。本文旨在应用有限元分析方法研究半骨盆截肢后自体骨重建坐骨结节和骨盆环的可行性,对重建骨盆应力分布进行研究。评价了分别使用股骨髁和胫骨平台替代坐骨结节的重建方案,连同完整模型共建立3个有限元模型。对3个模型模拟坐姿进行计算,对vonMises应力比较分析。模型可靠性经过尸体标本应变与位移测试验证。重建骨盆的应力分布与完整骨盆明显不同,股骨髁重建模型应力主要集中在股骨与骶骨左侧耳状面接触处、右骶髂关节和接骨长钉左侧。与重建股骨不同,重建用胫骨最大应力位于胫骨干部,分布面积较大。从生物力学角度看,使用自体下肢骨重建半骨盆环应该优先考虑股骨重建方案。在实际手术设计中也要注意适当增加长钉的直径,并在保证强度的条件下适当降低其刚度。     

3～12岁儿童胸腔骨骼参数化几何模型的建模研究

儿童的人体体征参数的变化,对胸腔骨骼几何有很大影响,这直接影响儿童胸部损伤形式.现有的儿童胸腔骨骼几何模型数量有限,且都是基于特定人体体征参数开发的.针对61个儿童胸腔CT样本,应用CT三维重建、半自动选点、胸腔姿势调整、统计学分析以及径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络变形等处理,建立了基于年龄、身高、体质指数(Body Mass Index,BMI)、性别的中国3～12岁儿童胸腔骨骼参数化几何模型.运用该参数化模型快速得到3～12岁内,年龄、身高、体质指数、性别任意组合的儿童胸腔骨骼几何模型.运用该参数化几何模型,预测的3～12岁儿童胸腔骨骼几何模型的平均几何精度为5.2 mm,第1对到第12对肋骨的平均几何精度最大为7.0 mm,最小为4.5 mm.该参数化几何模型可以用于研究人体体征参数对胸腔骨骼几何的影响以及对儿童胸部损伤的影响.     

人股骨密质骨横断面径向微动行为

在径向微动试验机上,采用球-平面接触方式,对新鲜人股骨密质骨的轴向断面进行了不同法向载荷(Fn=100～300 N)条件下的径向微动体外试验.在其动力学分析的基础上,对磨痕进行了观察,并采用纳米压痕方法对哈佛氏系统的骨板进行了测试.结果表明;径向微动条件下,在密质骨哈佛氏系统中可观察到3种典型裂纹(即放射状、环状和连接裂纹)形态;随着哈佛氏骨板逐渐过渡到间骨板间,其硬度和弹性模量逐渐增加.骨表面产生微裂纹和组织体剥落是密质骨径向微动的主要损伤机制.哈佛氏系统的特殊结构对密质骨的径向微动损伤行为有重要影响.     

论维吾尔医沙疗对骨质层的转移及力学特性的影响

本文以研究维吾尔医沙疗对骨质层的转移及力学性能的影响为目的,建立好股性关节炎模型的30只新西兰大白兔作为研究对象,由沙疗时间长短之差异将所有兔子分为三组并进行沙疗。在此期间进行四次CT扫描,计算出各股骨骨质层的总体积且统计分析骨质层的转移。取三组兔子左右股骨进行三点弯曲实验。实验结果表明,病态兔子股骨硬质骨和密质骨的增加速度比正常股骨低,而软质骨的减少速度基本一致;软质骨在向硬质骨和密质骨转化;正常兔子股骨的挠度、最大抗弯强度和最大抗弯正应力比病态兔子股骨要高,沙疗会促进股骨骨质层的转化,且改善股骨基本力学性能。     

个体化骨肌多体动力学和有限元联合建模的肩胛骨锁定板生物力学评估方法

为解决难以在体内生理载荷条件下评估植入物力学性能的问题,建立了个体化骨肌多体动力学联合有限元建模方法,在个体抬高运动体内载荷状况下调查肩胛骨骨折板的设计和生物力学性能。以一例个体的相关数据为材料,基于骨肌多体动力学软件Anybody和有限元软件Abaqus,建立与个体上肢相对应的骨肌多体动力学模型和肩胛骨骨折固定有限元模型,模拟右臂外展90°和前屈45°运动;采用骨肌多体动力学方法,预测个体体内所有的肌肉力和关节力,然后将预测的肌肉力和关节力加载至肩胛骨骨折固定有限元模型,调查新设计骨折板的生物力学性能,并与传统重建板进行了对比。结果表明:在右臂外展和前屈运动中,最大盂肱关节接触力分别为428 N和379 N;2.6 mm厚度新设计骨折板的最大范氏应力分别为118 MPa和113 MPa,均小于3 mm厚度重建板的最大范氏应力128 MPa和142 MPa。与传统的植入物失效评估方法相比,个体化联合建模方法增加考虑了个体的解剖差异和体内生理载荷状况,允许在个体日常活动体内载荷下调查植入物的生物力学性能,可为假体设计、医生手术和术后康复提供理论指导。     

成人四肢长骨的非对称性

本文测量了乌鲁木齐地区出土的200副成年四肢长骨。在左、右两侧长度相差大于0.1厘米时,四肢六骨(男性腓骨除外)均以非对称性为主。若以肱骨+桡骨、股骨+胫骨长作为上、下肢长,则右上肢与左下肢占优势,上、下肢单侧优势呈交叉关系。 在左右侧重量相差大于1％时,四肢六骨不论男女也均以非对称性为主,其中上肢以右大于左的占先势,而下肢也以右大于左的居多,在重量上看不出上、下肢单侧优势呈交叉关系。     

6岁儿童股骨有限元模型的建立及股骨颈损伤的仿真分析

基于6岁儿童解剖学结构,对其下肢的CT扫描数据进行三维几何重构,并利用有限元的建模技术建立6岁儿童股骨的三维有限元模型.通过加载弯矩的仿真实验,模拟交通事故中儿童跌倒状态下的股骨受力情况以及所引起的股骨颈骨折.研究结果表明:6岁儿童在交通事故中跌倒瞬时产生较大的股骨与地面接触力,股骨颈外侧应力最大,易出现骨折现象.仿真结果与以往实验结论相符合并与医学结论吻合,从而验证了模型有效.建立的6岁儿童股骨三维有限元模型可以为跌倒所引起的股骨颈骨折损伤生物力学响应提供理论依据.     

猕猴长骨的不对称性研究

观察了太行山猕猴肱骨、股骨、第二掌骨和第二蹠骨4种长骨有关变量的不对称性特征.肱骨标本55例,股骨标本53例,掌(蹠)骨标本34例.选择变量5个,分别是4种长骨的最大长、中间宽、中间高、中间周长和中间横截面积.用SPSS13.0软件进行正态分布检验和不对称的性差比较.结果表明:左侧肱骨的方向性不对称值大于右侧,显示出方向性不对称.第二掌骨比较结果显示是右侧大于左侧,下肢股骨和第二蹠骨作为对照组不对称性表现较弱.表明上肢骨出现的方向性不对称并不是由于波动性不对称随机产生的.结果提示太行山猕猴上肢长骨的功能可能呈侧面化趋势,在各种长骨之间力量与精密控制之间存在一种互补关系.     

基于BP神经网络的城市时用水量分时段预测模型

针对目前时用水量预测模型中对时用水量影响因素分析研究较少的问题,通过分析各种时用水量影响因素与时用水量之间的相关性,筛选出时用水量的主要影响因子;通过分类将1 d划分为3个时段,建立分时段用水量模型。采用BP神经网络预测,精度指标采用平均绝对百分比误差(MAPE)表示。实例分析结果表明:模型预测MAPE均在5%以内,预测精度较高,满足供水系统优化调度的要求,为城市时用水量预测提供一种简单可行的思路和方法。