《有限元》结课论文 材控B113 单成林201102034302

《有限元》结课论文课程题目：人工假肢在五百万次循环下下的疲劳分析班级：材控B113姓名：单成林学号：201102034302成绩：人体假肢五百万次循环下的疲劳分析单成林（华北科技学院机电工程学院,河北065000）摘要：假肢是用来代偿正常人体截肢部位机能和外表形状的装置，安装假肢是截肢患者恢复活动能力和外观的主要康复手段。

假肢接受腔作为人与机械系统之间生物力学的界面，是截肢患者肢体残端和假肢之间载医学论文写作荷传递的惟一通道，必须根据患者的具体情况因人而异，以满足功能性、舒适性的要求。

一个完整的残肢接受腔有限元模型包括几何模型、材料特性、载荷状况和模型边界条件。

下肢残肢-假肢接受腔界面应力的有限元理论仿真要求能够达到快速建立几何模型、准确模拟不同部位的材质特性、定义人机界面的接触特征、精确施加动态载荷。

假肢接受腔以人工假肢个性化制造为研究对象，运用有限元法进行生物力学分析，并集成了生物医学、三维计算机辅助设计技术和快速成型技术。

关键词：人体假肢三维有限元接受腔引言：随着工业、交通事业的迅速发展，工伤、交通事故等伤害带来的截肢者数字正以惊人的速度增加。

假肢做为用来代偿正常人体截肢部位机能和外表形状的装置主要由 3 部分组成，这 3 部分中，接受腔直接与患者的残端接触，必须根据患者的具体情况因人而异。

假肢接受腔作为人与机械系统之间生物力学的界面，担负支撑和承力作用，是残肢者身体和假肢之间的直接连接媒体。

人体和假肢间的力都是残肢和接受腔的接触面上传递的。

因此，接受腔是假肢中最重要和最关键的部件[2]。

假肢接受腔是截肢患者肢体残端和假肢之间载荷传递的惟一通道[3]，影响假肢适配性。

而假肢接受腔的设计和适配又决定患者步态外观和行走功能。

一个功能性、舒适性都满足要求的接受腔往往要在使用者反馈其使用效果和使用后进行评测的基础上，经过一定修改(有时要修改多次) 才能得到。

界面载荷主要指残肢表面的压应力和剪应力。

因为残肢软组织不适合承重，过高的压力和剪应力会导致残端皮肤和软组织的破坏[4]。

因此，为提高假肢性能，残肢-接受腔之间界面的载荷传递特性研究非常重要。

现有的大量研究表明，残端和接受腔接触面上的应力分布是影响接受腔设计的关键因素研究者们陆续建立了多种测量残端/接受腔接触面应力分布的实验方法。

常采用的分析方法主要有实验测量和理论仿真两类。

实验测量是让被测者穿上假肢，通过安装在接受腔上或者放置于残肢和接受腔之间的薄膜式压力传感器测量患者站立或行走过程中残肢表面的应力。

此方法对了解残端和接受腔接触面上的应力分布起到了重要的作用。

但受传感器触头面积及测量通道数目的限制，测到学术探讨的结果往往只是个别部位的应力分布，即只能测量残肢上离散点的应力，而无法得到整体的信息，而且实验测量必须是针对已成型的接受腔模型，必须在假肢制作完成后进行[6]，无法对个体化接受腔设计的效果进行直接预测。

理论仿真是通过建立残肢和接受腔的几何模型，采用有限元方法，赋予接受腔材料特性和边界约束，施加载荷以模拟界面应力分布自Childress和Steege 于1987年提出了第一个小腿接受腔的模型以来，研究者们已建立了一系列基于不同研究重点的有限元模型，证明了有限元应力分析方法用于残端/接受腔结构的有效性[5]。

应用该方法不仅不必完成假肢的制作，节约时间和成本，而且能获得整个残肢界面的应力大小和分布特征。

同时也得出了一些关于建模方法和参数分析的重要结论。

1 人工假肢柄建模将所有图像数据按人体位置顺序输入专用软件进行处理。

通过对图像的阈值进行设定，使得骨骼部分与其他组织的区别最大化，系统自动识别骨骼边界；对于局部阈值接近的边界采用人为识别方式进行选取假肢接受腔材料的选择：由于残肢的组成结构复杂，材质参数较难确定。

有限元方法分析残肢界面应力，必需的材质参数包括密度、弹性模量和泊松比。

许多研究机构采用压凹硬度测试法来测量弹性模量[8]。

材料特性在初步研究中都假设骨骼、软组织、衬垫和接受腔的材料特性是线性、各向同性和局部均匀的。

股骨、胫骨、腓骨、髌骨等弹性模量在 10~15 GPa 之间，泊松比约为0.28~0.30，或假设为刚体[9]。

软组织的弹性模量可由力和位移的关系曲线或经验公式得出。

肌肉、脂肪、皮肤等软组织弹性模量大小差异较大，在 27~965 kPa 之间，有的甚至高达 2 490 kPa。

对于泊松比，由于认为软组织是不可压缩的，一般在0.4~0.499 之间取值。

但研究表明，软组织是一种不规则几何体，不同的区域硬度不同，并有复杂的材料性能、比如非均匀性，各向异性、黏弹性和时间依赖性等。

把软组织简单地定为线性、各向同性是不准确的[1]。

目前常用的接受腔材料是有热塑性树脂，例如聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚碳酸酯树脂等，弹性模量为 10~25 GPa，泊松比为 0.3~0.4，有些分析中将其假设为刚体。

衬套常采用聚氨酯泡沫塑料，弹性模量一般为 360~800 kPa，泊松比为 0.3~0.49[9]。

为更准确反映残肢不同区域材质的差异，有学者进行了残肢软组织非线性超弹性的实验，得出了力和变形曲线[10]。

也有学者把残肢软组织分为腿弯部、髌韧带、胫前内侧、胫前外侧等多个区[11-12]，或将皮肤和肌肉分开考虑，赋予不同的材质参数。

2 一个循环下肱骨静力学分析对人股骨结构进行分析时，在满足精度的前提下应对力学模型进行必要的简化，从而简化计算工作量。

由于CT 数据对软骨的分辨率难以达到建模要求，本文建立的三维实体模型只对股骨进行了重建分析，没有考虑软骨的影响，由于松质骨与密质骨的材料特性相差很远，从建模和计算工作量角度考虑，建模时不考虑骨髓腔与松质骨部分，密质骨层则适当加厚，建立一个中空的股骨三维实体模型，根据国外文献报道[4]计算时可把股骨看作分布均匀且各向同性体材料进行分析，结果不会产生大的偏差。

选取股骨的远端膝关节部位节点，不考虑软骨及关节组织的压缩作用，对其进行横截面、冠状面自由度约束，模拟膝关节与胫骨的接触情况，在股骨头按表1 数据进行加载，模拟步态运动过程，计算结果如图3 所示。

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别是脚跟着地相、单脚中立相和脚尖离地相的应力云图，应力分布的大小和区域分别用不同颜色表示。

从应力云图中可以看出，人股骨在步态运动过程中的应力集中通常处于股骨颈和股骨干的上端1/3处、下端1/3 处，而对于大转子等处则并无高应力场出现，这些计算结果与临床所观察的情况基本相符。

(a) 脚跟着地接受腔状态深入研究了残肢与接受腔之间的摩擦滑动作用，采用了界面单元模拟皮肤与衬垫之间的摩擦滑动情况。

结果表明，局部的小滑动是存在的，这个滑动在无滑动的有限元模型中如果被认为是组织的变形，分析结果会过高地估计界面的剪切应力，过低地估计表面压力。

另外，表面在接触过程中经常会与法向应力一样传递剪切力，当剪切力达到一个确定值时会产生滑动，即活塞效应，这对肢体是非常有害的。

Lin等[16]研究用ANSYS 将残肢外表面结点和衬套内表面单元用一对接触面模型（结点接触的可滑移单元）连接。

在正确模拟界面的接触状况研究中，已经开发了许多特殊的有限单元体，如缝隙单元、应力位移滑动平面或滑动线单元、应力位移界面单元和应力位移刚性表面等。

(b) 单脚中立状态载荷状况的模拟人体在行走过程中，载荷常常是变化的并且是不确定的。

有限元分析中最具挑战的就是如何适当地模拟载荷的状态。

在目前的有限元模型中，加载方式常被简化为集中力，受力部位在骨骼上，或者在残肢末端接受腔底部。

载荷的大小通常是由实验方法测得或与人体体质量联系起来[1]。

普遍采用腔和残肢一者固定另一者加载的方式，一个垂直方向的力作用在胫骨形心或者垂直加在接受腔远端[12, 17-18]，或把地面支反力直接施加在假脚上来模拟患者站立状态的载荷[19]。

后来有研究进一步将所施加的力扩展到3个方向的分力和力矩[14]。

Zhang等[17]模拟了残肢完全穿入接受腔的过程，分析过程分两步：第一步模拟残肢滑入接受腔，没有外载；第二步在第一步的基础上施加外部载荷，模拟过程采用强加边界位移条件、逐步加载的方法实现。

Jia 等[20](c) 脚尖离地状态不同步态时刻的股骨接受腔应力云图进一步考虑了行走过程惯性载荷对界面应力的影响。

探索更为精确的加载方式是提高界面应力理论仿真结果准确性的必要前提，包括载荷的大小和分布方式。

初期的有限元模型多为静态分析。

其假设线性的材料特性、极小变形、没有界面摩擦和滑动、线性边界条件，这个分析模型需要比较小的CPU 计算时间。

随后发展为非线性分析，分析考虑了非线性的材料特性、大变形、非线性边界条件包括摩擦滑动接触边界。

这一分析模型需要相对多的CPU 时间，但非线性分析方法能达到更加精确的求解。

振型展示了结构的固有振动形态，为人们提供了一种直观的分析结构振动状态的方法。

人股骨振动频率分析在骨科临床上常用于对骨质疏松症、骨折愈合等情况的评价以及对植入人工关节后引起的骨发育不良进行量化分析[9]。

在关节置换手术中，要对股骨进行人为修复后再植入假体，掌握股骨的固有频率可以优化假体的设计，避免假体与股骨的固有频率相近发生谐振而导致假体松动，最终造成手术失败。

目前的研究类型是引起大家重视的动态分析，这种分析模型不仅考虑动态载荷，而且考虑材料的惯性作用[1]。

残肢-接受腔界面模拟：残肢与接受腔形成的接触界面为三维不规则曲面，表面粗糙且不均匀。

人体行走过程中接触状态变化，系统边界处于不可预测的状态，并加剧了系统非线性特征，同时直接影响接触压力的大小及其分布。

界面模拟方法的选择和参数的设定直接影响分析结果的准确性[9]3结论假肢接受腔以人体生物力学和生物医学工程学研究为基础，并将先进设计制造技术、现代先进的微电子技术、计算机技术、新材料技术以及康复医学工程等学科交叉融合在一起。

假肢接受腔以人工假肢个性化制造为研究对象，运用有限元法进行生物力学分析，集成生物医学、三维计算机辅助设计技术和快速成型技术。

快速建立几何模型、准确模拟不同部位的材质特性、定义人机界面的接触特征、精确施加动态载荷是下肢残肢-假肢接受腔界面应力的有限元理论仿真 20 多年的研究发展结果。

并在界面应力预测、接受腔优化设计、人机界面生物力学特性研究等积累了丰富的成果。

医学论文写作假肢接受腔的未来发展方面：①通过医学影像技术揭示骨骼、软组织和皮肤等生物组织结构信息及组织功能信息，通过高级图像处理技术采集残肢内外轮廓形状，进行三维数字化及特征建模。

②采用动态计算机辅助分析软组织的材料特性、变形效应、承载能力的生理结构、表面压力的生物力学反应等，提高对残肢接受腔的生物力学特性的理解。

③结合假肢学原理原理找出适于接受腔的优化设计理论，探索接受腔的优化设计方法。