人体膝关节动态仿真及受力分析研究

论文摘要

膝关节是人体内最复杂的关节之一,由于其在几何形状上的不规则性和组成物质的非均匀性,以及用人体做力学试验的不可行性,采用数字仿真以及建立有限元模型来代替人体膝关节研究就成为我们对人体认识的一种有效手段,在膝关节生物力学研究中日益受到重视。本文的主要任务是对左腿单独站立的人体模型的右膝关节弯曲过程进行模拟仿真,得出弯曲过程ACL、PCL、MCL和LCL四条韧带的受力,并建立胫骨的有限元模型,进而导入有限元软件进行相关的应力学分析研究。在数字仿真方面,采用目前生物力学领域最前沿、最成熟的数字仿真软件LifeMOD,建立以本人为实验者的生物力学模型。由于本文只对膝关节做研究,所以只需建立右腿模型即可,并完善股骨髁和髌骨部分,就得到完整的右膝关节模型。导入之前采集好的“bend model.slf”文件,驱使模型运动,最终通过后处理得出四条韧带的受力曲线图。在三维几何建模方面,本文着重探讨了基于1mm层厚的CT医学图像,进行膝关节三维几何建模的整套流程。整个过程中采用了CT影响技术、图像处理技术、反向工程技术,利用医学重建软件Mimics、表面处理软件Geomagic和实体建模软件ProE,建立了胫骨上端的三维几何模型。建立模型的外形与实际的肢体情况相符合,很好的表达了膝关节的解剖结构特点。在有限元分析方面,本文选用ANSYS软件,对胫骨关节模型在模拟体重为65Kg的成人,处站立位时施加边界约束和载荷,并进行了一系列数值仿真计算。最终得到了在站立时,胫骨平台受到约95%体重的压力的状况下,在X、Y方向的位移和应力以及总位移和总应力。总之,通过探讨弯曲过程中韧带受到的拉力和胫骨平台的应力,得出人体膝关节的生物力学特性,对运动员膝关节的损伤的预防以及临床上制定患者的康复方案和人工膝关节假肢的设计都有直接的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究情况
• 1.3.2 国外研究情况
• 1.4 本课题研究的主要内容、创新点及意义
• 1.4.1 本课题研究的主要内容
• 1.4.2 本课题的创新点
• 1.4.3 本课题的研究意义
• 1.5 论文结构
• 第二章 LifeMOD 软件和有限元法原理
• 2.1 Lifem OD 软件简介
• 2.1.1 仿真
• 2.1.2 LifeMOD 软件简介
• 2.1.3 LifeMOD 软件特点
• 2.2 有限元法
• 2.2.1 有限元法的原理
• 2.2.2 有限元法的计算思路
• 2.2.3 有限元法在骨科生物力学中的应用
• 2.3 本章小结
• 第三章 运用LifeMOD 软件对膝关节进行动态仿真
• 3.1 膝关节的结构
• 3.2 人体膝关节模型介绍
• 3.2.1 人膝关节现象模型
• 3.2.2 人膝关节运动模型
• 3.2.3 人膝关节静力和准静力模型
• 3.2.4 人膝关节动力模型
• 3.3 运用lifeMOD 软件建模及仿真
• 3.3.1 建模及仿真
• 3.3.2 数据分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 胫骨上端有限元模型的建立
• 4.1 CT 扫描
• 4.2 Mimics 软件进行图像处理
• 4.3 Geomagic 软件进行封装
• 4.4 ProE 软件建立实体模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于ANSYS 有限元程序的应力分析
• 5.1 有限元软件的选择
• 5.2 ANSYS 软件的构成和分析步骤
• 5.2.1 ANSYS 软件的构成
• 5.2.2 ANSYS 软件的分析步骤
• 5.3 胫骨有限元分析
• 5.3.1 前处理
• 5.3.2 分析求解
• 5.3.3 后处理
• 5.4 结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 附录：“bend model.slf”文件
• 致谢