学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于人体膝关节建模的软骨力学特性分析

作　者: 李盖敏
导　师: 郭同彤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 力学
关键词: 膝关节软骨本构方程粘弹性
分类号: R318.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 65次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

膝关节作为人体最复杂、最大的关节位于髋关节和踝关节之间,是下肢活动的枢纽,其重要程度不言而喻。关于膝关节的疾病也越来越受人们的重视,学者们对膝关节的研究也越来越深入了。膝关节的解剖结构和相应的生物力学特性成为了近年来研究的焦点。膝关节的生物力学环境对关节的损伤及关节炎的病变起到重要影响的作用,因此对膝关节的生物力学特性分析不仅可以膝关节创伤发生的机制进行明确的阐明,而且可以对膝关节疾病的诊断和手术康复提出科学的指导和计划。近年来科学研究者们不断对膝关节的生物力学特性进行探索,从开始的有限的物理模型逐渐的转变到了数学模型。许多学者也相继提出了不同的膝关节静力学和动力学模型,但这些模型大部分都是简单的将膝关节的骨性结构简单的假设为刚体,而且不考虑摩擦,模型中也不包括膝关节的半月板,韧带,胫股骨软骨等辅助结构,而这些结构在膝关节的运功和受力中起着不可替代的作用,对计算结果影响较大。由于膝关节自身解剖结构的复杂和运动的复杂性,研究者们还很难对膝关节的力学性质和运动做出准确的描述。软骨在膝关节的运动和受力中起到非常重要的作用,在生理上承受载荷,缓冲压力,吸收震荡。根据膝关节软骨的实验数据和现象,假设软骨为均匀各向同性非线性粘弹性,并推导出软骨的非线性粘弹性本构方程,并建立了相应的有限元模型对实验进行了模拟,得出我们的假设是合理的。通过对膝关节的接触力学特性进行的模拟,在膝关节伸直状态承受载荷时,载荷主要是由胫骨平台内侧软骨承受,内侧软骨的接触面积占总接触面积的65%,接触力占总接触力的75%。而且最大应力也出现在内侧软骨表面。我们可以推断,膝关节承载时,载荷主要有内侧软骨、内侧半月板来传导,内侧软骨和内侧半月板是最易受伤的部位。对胫骨只施加UR1约束,即施加膝关节伸直转动约束,这样计算的接触面积和接触力分布更加合理,也是符合膝关节的生理运动规律的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-19
  1.1 课题背景及研究的目的与意义  8-9
  1.2 国内外相关技术发展及研究现状  9-16
    1.2.1 国内外软骨的研究现状  9-11
    1.2.2 国内外膝关节的研究技术现状  11-16
  1.3 有限单元法  16-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第2章人体膝关节及其软骨  19-23
  2.1 膝关节的解剖结构与功能  19-20
  2.2 关节软骨的组成成分与结构  20-22
    2.2.1 软骨的构成  21-22
    2.2.2 软骨的结构  22
  2.3 本章小结  22-23
第3章关节软骨的材料属性  23-36
  3.1 引言  23-25
  3.2 软骨的力学实验方法  25
    3.2.1 软骨的拉伸实验方法  25
    3.2.2 软骨的无限制压缩实验方法  25
  3.3 软骨的本构关系  25-28
    3.3.1 本构关系的假设  26-27
    3.3.2 该本构模型的松弛函数与蠕变函数  27-28
  3.4 软骨的有限元模拟  28-35
    3.4.1 拉伸实验有限元模拟  28-31
    3.4.2 压缩实验有限元模拟  31-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章膝关节软骨的接触特性  36-52
  4.1 引言  36
  4.2 膝关节有限元模型建立过程简介  36-40
    4.2.1 MRI 数据及参数  36-38
    4.2.2 从三维实体到有限元模型  38-40
  4.3 膝关节软骨接触特性分析  40-50
    4.3.1 关节模型各部分材料属性  40-42
    4.3.2 边界条件和载荷  42-44
    4.3.3 网格单元  44
    4.3.4 接触计算原理分析  44-46
    4.3.5 膝关节接触分析结果  46-49
    4.3.6 ABAQUS/Explicit 准静态分析结果评估  49-50
  4.4 本章小结  50-52
结论  52-53
参考文献  53-56
攻读学位期间发表的学术论文  56-58
致谢  58

基于人体膝关节建模的软骨力学特性分析

内容摘要

全文目录

相似论文