有限元分析在生物工程方面的应用

附件1

项目编号______________

成都学院（成都大学）

大学生创新性实验计划

项目申请表

项目名称：有限元分析在生物工程技术方面的实验技术研究

项目负责人：

所在学院、年级：

联系电话：

电子邮件：

指导教师：

项目起止时间：

填表日期：

成都学院（成都大学）教务处制

一、项目简介和前期基础：（包括项目简介300－500字；项目前期准备）

项目简介：

本实验是对有限元分析法应用于生物力学上的研究，利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具,可以逼真地建立人体三维骨骼、肌肉、软组织及血管等器官组织的模型,并能够赋予其生物力学特性。在计算中,对模型进行实验条件仿真,模拟拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,可以求解在不同条件下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及极限破坏等情况。通过本次实验，我们了解到有限元分析法的建模功能强大，应用的领域也相当广泛。

前期准备：

(1)资料查询，了解目前有限元分析法在生物力学上的应用范围及现状，并作出统计和分析。

(2)《材料力学》中材料在各种外力作用下产生的应力、强度、刚度、稳定和材料疲劳破坏等相关知识。

(3)熟悉并掌握本实验所牵涉到的软件知识：曲面造型软件CATIA的学习，有限元分析软件ANSYS 的三维建模，对人体骨骼进行应力分析。

(4)其他相关医学等方面的理论知识。

(5)准备实验条件，如测量工具等。

(6)实验场所准备，人员的安排等。

(7)实验方案的初步确定。

二、项目方案和研究内容：（研究意义与目的、现状、工作思路、方法及拟解决主要问题等）

1.研究的意义和目的：

本次实验研究有限元分析法在生物力学上的应用不仅使我们熟悉并掌握了有限元分析软的功能，并且将有限元分析法应用到医学，使我们了解到本专业以外的知识和领域，拓宽了们的视野，增长了我们的见识。利用有限元分析法了解和预测骨折发生的危险度及其易于产生的部位，对置换后骨骼的分析可以指导假体的设计和改进，同时可以评价手术的效果，提供改进方法和操作手段。利用有限元分析法对人体骨骼和关节进行分析可以得出不同组织在人体不同状态下的力学性能，如应力分布，应变量，位移量，植入假体的松动及磨损量。应力分布状态和骨小梁的分布是有对应关系的，通过分析应力分布和走向可以对了解骨骼的构成有一定的辅助作用。

2.现状：

目前，在工程技术领域，建立基本方程和边界条件较容易，但对于几何形状、材料特性和外部载荷均不规则的人体骨骼系统，要得到解析解却很困难，通常的做法是采用动物或人尸骨骼进行分析，而这与实际结果存在较大差异，特别在分析内部应力变化时力学实验几乎无法直接进行。

3.工作思路：

有限元分析法是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化，即称网格划分。离散而成的有限单元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。

4.方法及拟解决主要问题：

有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域（单元）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

三、项目进度安排：

1.2011年11月——2011年12月：市场调研阶段，调查传统设计和制作的优点和不足，并作

出统计和分析，写出调研报告。

2.2012年1月——2012年5月：总体设计阶段，制定实验方案，了解和学习反求技术及其实

验、三维软件和有限元软件等；

3.2012年6月——2012年7月：详细设计阶段，根据具体异性结构具体反求过程，曲面造型，

制作出最后三维建模图。

4.2012年8月——2012年10月：对本项目进行分析总结和归纳，制作出试验品进行对比，

完成实验报告，研究论文，申请专利。

四、项目特色与创新：

1、利用三维有限元模拟髋臼发育不良性髋关节，研究其非线性接触压力分布；

2、利用有限元模型对人体膝关节进行研究，对膝关节在不同情况下的弯曲度进行了模拟研究；

3、利用三维非线性有限元分析,研究1500N 压力和15Nm 弯矩下的脊椎前屈、后伸、侧弯和扭转运动时腰椎应力分布，探讨腰椎运动损伤的力学机制；

4、利用有限元分析法对人体足部最大的两块跗骨，跟骨和距骨，进行了研究，分析了正常骨骼和畸形愈合跟骨不同步态位的应力分布，还对手术前后的跟骨关节进行了详细的分析；

5、利用有限元法对口腔的鄂关节和牙齿在咀嚼过程中关节的应力和磨损进行分析，建立牙齿和牙列的三维模型，分析种植体的形态和稳定性以便找到最合适人体口腔的牙假体和植入方法。

五、拟使用资源（设备、场地、设施等具体情况）

六、经费使用计划

序号支出项目金额（元）依据或理由序号支出项目金额（元）依据或理由

1 材料费用

2 制作费用

3 资料查找及打印

4 其他

合计

七、项目预期成果：（研究论文、设计、调研报告、申请专利、开发软件、研制产品等）

1、调研报告

2、论文发表

八、指导教师意见：（评价该项目研究方案的科学性、可行性、研究意义等）

指导教师（签名）：

年月日

九、所在学院意见：

学院院长（签字）：

年月日十、专家小组意见：

专家小组负责人（签字）：

年月日十一、学校意见：

盖章：

年月日