基于统计学的参数化儿童头部有限元模型的建立及碰撞事故再现

交通事故和跌落是儿童头部损伤的主要原因。为了解决单个儿童头部个体有限元模型开发周期较长以及儿童尸体试验极度缺乏的问题,以CT数据为依据,通过主成分分析和回归以及径向基函数的方法,建立了具有统计意义的、能够代表新生儿、1.5个月和3个月这3个年龄段的儿童头部有限元模型并通过试验进行验证。使用这3个模型对实际生活中3个儿童头部碰撞造成骨折的事故进行再现。结果表明:仿真中儿童颅骨上最大von Mises应力的分布较好地吻合了事故中骨折的特点,骨折区的最大等效应力远远超过了颅骨的近似失效应力10MPa,说明所建立的参数化儿童头部有限元模型要明显优于单个个体模型,并且能够较好地对事故中儿童颅骨碰撞损伤进行复现和预测。     

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.     

老年股骨颈骨折的家庭护理

股骨颈是指股骨头与股骨粗隆间线之间的一段骨.由于这段骨主要是松质骨,60岁以上的老年人骨质又大都萎缩疏松,所以很容易骨折.如果老年人跌倒受伤后,感到髋部疼痛,患肢失去载重功能,并有外旋畸形,就应考虑患股骨颈骨折.股骨颈骨折除了必要的住院治疗和护理外,在恢复阶段也可以在家里继续治疗和护理.下面根据笔者多年的护理实践谈一些老年股骨颈骨折的家庭护理知识.     

3岁儿童颈部屈伸运动生物力学响应研究

利用3岁儿童头颈部有限元模型,研究儿童颈部在屈伸运动过程中的生物力学响应.完善了现有3岁儿童头颈部有限元模型,重构儿童颈部弯曲尸体实验,进一步验证了3岁儿童头颈部有限元模型有效性;对比分析了有无肌肉组织对颈部弯曲生物力学响应的影响.结果表明,弯曲仿真实验的力矩–旋转角度曲线与尸体实验力矩–旋转角度曲线相符,该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制.仿真实验中包含肌肉组织模型的颈部旋转角度明显小于无肌肉组织模型,包含肌肉组织模型在弯曲时颈部韧带最大应变小于无肌肉组织颈部模型,在研究儿童颈部生物力学响应时必须考虑肌肉的影响.     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

基于儿童头部有限元模型的颅内响应研究

应用基于CT数据构建的3岁儿童头部有限元模型,参照成人尸体实验条件进行头部撞击仿真实验,并将头部颅内响应结果同尸体实验以及6岁儿童头部进行了对比分析.结果表明:颅骨刚度的增加会引起撞击侧颅内压力减小、对撞侧颅内压力增大、脑组织von Mises应力减小以及脑组织最大剪应力减小,说明在同一冲击载荷条件下,颅骨刚度的增加会使撞击侧的脑组织挫伤风险降低.根据研究结果,建议针对不同年龄段人群制定不同的脑损伤准则.     

小转子未固定的PFNA治疗Evans-Jensen Ⅲ型转子间骨折的有限元分析

建立小转子未固定的Evans-JensenⅢ型转子间骨折的PFNA内固定有限元模型,分析股骨转子区域在负重后及模拟髋内翻发生过程的应力变化。建立小转子不固定及固定的Evans-JensenⅢ型转子间骨折PFNA内固定的三维有限元模型,分析股骨转子间骨折块的生物力学应力环境。无论小转子是否固定,Evans-JensenⅢ型转子间骨折使用PFNA内固定后Von Mises应力分布均匀,股骨转子间骨折块稳定性良好,但固定小转子后的PFNA内固定其应力分布的最大Von Mises应力值更大。PFNA内固定能有效维持小转子未固定的Evans-JensenⅢ型转子间骨折的稳定性,有限元分析结果能够为临床实践提供术前依据。     

斗轮堆取料机有限元建模方法及模态分析

斗轮堆取料机是一种结构复杂的大型散料运输设备,其有限元模型在建立过程中很容易出现与实际结构对不上的问题.基于三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件Hypermesh,提出从局部到整体的逐层建模方法,建立有限元模型.为了验证模型的准确性,针对建立的斗轮堆取料机有限元模型进行模态分析,得到结构前6阶固有频率及振型.基于实验测得该型斗轮堆取料机的固有频率,将其与仿真结果对比,两者得到的固有频率基本一致,测试相对误差在5%以内,精度较好.实验验证及数值仿真表明:通过逐层建模方法建立的有限元模型能有效地揭示斗轮堆取料机的结构特性,为此类型斗轮堆取料机的结构设计和动力学分析提供参考.同时,逐层建模的方法更加快捷高效,为大型复杂结构建模仿真提供了参考和借鉴.     

近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟

为解决植入假体存在的松动和下沉等并发症,适应个性化内置假体快速自动设计和制造的要求,提出一种在定制型人工髋关节股骨内置假体设计过程中, 基于医用CT和CAD技术,利用有限元力学分析建立近端股骨各向异性力学模型的新方法.该方法利用CT原始图像数据、结合自主开发软件,使股骨三维模型具有原股骨的各向异性与非均匀性, 建立近端股骨接近真实股骨力学性能的三维有限元模型,为真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能,更精确地测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应,为定制型人工股骨假体设计提供了生物力学基础,实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件.     

人工髋关节设计中颈长颈干角对应力分布的影响

为研究髋关节假体颈长、颈干角改变时，假体和骨水泥上应力水平及分布的变化，比较试验值与有限元计算结果，建立一合理的力学模型．结果表明假体和骨水泥上的应力随颈干角的增加而单调下降；颈长在３５～４４ｍｍ范围内，假体和骨水泥上应力水平较低，超过这一范围应力水平单调上升．特别指出降低假体和骨水泥上的应力与提高股骨上应力及增加髋关节活动范围是一对矛盾．最后指明颈干角在生理范围１３０°左右，颈长在３５～４４ｍｍ较合理     

Q6儿童假人颈部有限元模型的建立与验证

运用逆向工程方法获得Q6儿童假人颈部几何模型并对其进行合理的网格划分,得到具有良好细节和较高精度的颈部有限元模型.通过参数敏感性分析,确定该颈部模型需要优化的材料参数,以真实假人颈部标定试验结果为基准,采用曲线匹配算法对相关材料参数进行正向和侧向标定试验,在2种工况下,对Q6儿童假人头部角度和力矩进行多目标优化,通过空间缩减序列的响应面优化方法经多次迭代得到优化结果.仿真结果表明,该有限元模型较好地满足了Q6儿童假人颈部的标定要求.     

基于螺旋CT的人体颅脑三维有限元模型构建

阐述了基于螺旋CT图像构建颅脑三雏有限元模型的过程。首先，对人体颅脑进行CT断层扫描，然后采用CT图像三维重建软件和CAD软件构建轮廓线，用有限元软件ANSYS划分网格，构建了颅脑三维有限元模型，并对该模型进行了验证。此模型包括大脑左右半球、小脑、脑干、大脑镰、小脑幕，是完全真实的人体颅脑三维有限元模型。本模型以精确CT数据为依据，为宇航、交通事故、司法鉴定、创伤判断和临床治疗等提供了可用的颅脑有限元模型。     

基于多目标优化的儿童座椅匹配方法

基于一款已获得国家专利的集成式儿童安全座椅约束系统参数可调的特征,选择座椅高度、靠背角度、安全带限力器限力值为优化变量,以儿童乘员头部损伤、胸部损伤、颈部损伤为优化目标,采用多项式回归近似模型和多目标进化算法相结合的方法对该集成式儿童座椅在保护3岁、6岁、10岁儿童乘员时的可调约束参数进行了多目标优化.结果表明:优化后的约束参数能对上述儿童乘员提供更好的保护作用,优化效果显著.最后在得到的3组优化约束参数的基础上,提出了一种针对3～10岁不同身材儿童的自适应匹配方法.     

基于关键点变形的汽车碰撞事故再现

应用有限元理论提出了基于车身关键点三维变形的事故再现方法.以某起车障碍物碰撞事故为例,建立车身、驾驶员及事故现场环境的有限元模型,根据事故特点,确定碰撞速度及角度为变化因素,在车身上选择关键点作为研究对象,综合应用响应面理论和均匀设计方法最终求解得到碰撞前车与被撞物围墙之间的角度、碰撞接触时刻的汽车运动速度及在事故中人体伤害的评价.结果表明,应用有限元方法可以对缺少刹车印迹的事故进行再现研究,同时与传统方法相比该方法具有较高的计算精度.     

基于非支配排序遗传算法的塔机有限元模型修正

为了建立一个能准确反映结构实际状态的有限元模型,提出了一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的有限元模型修正方法.首先建立初始有限元模型,基于二次响应面法,得到有效的响应面替代模型,然后采用NSGA-Ⅱ对该模型进行修正,最终建立了满足工程精度要求的可靠的有限元模型.给出了某型塔机有限元模型修正的工程算例,将修正后的计算结果与实测数据相比较,说明了基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对于有限元模型修正具有理想的效果,修正后的有限元模型能准确反映结构力学特性.     

股骨近端髓内钉结构设计与试件力学检测研究

为解决髓内钉手术存在骨质丢失和螺钉旋转问题,本文基于人体髓腔解剖形态,进行髓内钉三维构型设计,建立髓内钉仿真模型,采用ANSYS进行应力应变仿真分析,对股骨近端髓内钉试制件进行静态压缩试验,分析载荷-位移曲线。有限元分析结果表明最大应力主要集中在螺旋刀片钉与主钉交界面处;静态压缩试验得到的应力最大位置与有限元分析结果相同,髓内钉承受的最大极限载荷高于股骨头承受的关节力。分析结果表明本文设计的股骨近端髓内钉的力学性能满足股骨生物学固定物的要求,可为髓内钉设计提供理论指导。