论文3岁儿童—C5颈椎有限元建模方法是适合不知如何写有限元方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于有限元论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。
摘 要：使用缩放和非线性拟合的方法,获得了3岁儿童颈部材料参数；提出了一套儿童颈部韧带的力学特性缩放方法；开发了具有精确几何及解剖学结构的3岁儿童-C5颈椎段有限元模型,并在准静态、动态拉伸载荷下进行了验证.结果显示,准静态拉伸刚度为211.8 N/mm,动态拉伸最终失效力为759.9 N,最终失效位移为5.083 mm,均与实验值吻合良好；动态拉伸力位移曲线与实验曲线吻合较好.验证结果表明,本模型能够较准确地反映3岁儿童-C5颈椎段的准静态和动态拉伸力学特性,具有较高的生物逼真度.
关键词：儿童颈椎；生物力学；拉伸；验证
中图分类号：U461.91文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）02-0008-07
在交通事故中,儿童脊柱损伤造成的死亡率高达16%～41%,并且儿童脊柱损伤约有75%发生在颈椎段[1].儿童颈部在解剖学、形态学等方面,与成人有着明显差异,如：相对躯干更大的头部质量、更松弛的颈部韧带、更纤细的颈椎骨骼等.这些差异都将增加儿童颈部损伤风险.此外,颈部作为连接头部的重要解剖学结构,其动力学响应直接影响头部响应.因此, 儿童颈部生物力学研究对儿童颈部损伤防护及头部损伤机理的研究都至关重要.
由于缺少儿童尸体样本及用于模型验证的实验数据,公开发表的文献表明,全世界范围内仅开发了四款儿童颈部有限元模型.Kumaresan等[2],Mizuno等[3]基于线性缩放的方法获得儿童颈部模型.这些模型均无法较准确地描述儿童颈部特有的解剖学结构；采用线弹性材料模拟颈部软组织,无法较真实地描述其生物力学特性；且这些模型均未进行验证.Meyer等[4], Dong等[5]基于儿童颈部CT图片建立了具有精确解剖学结构的颈部模型.Meyer等[4]采用刚性壳单元模拟椎骨,无法模拟骨折现象；以线弹性材料模拟椎间盘,未模拟髓核、纤维环等重要解剖学结构；对模型进行了整体动力学验证,但未对颈椎段进行单独验证.Dong等[5]在拉伸载荷条件下,仅对模型的动态拉伸最终失效力和失效位移进行验证,而未对准静态和动态拉伸刚度进行验证；未对模型进行侧向弯曲、扭转等载荷条件下的验证.
本文基于某3岁儿童颈部CT图片,致力于建立具有精确几何及解剖学结构的儿童-C5颈椎段模型,并赋予较准确的生物材料力学参数；再对模型在准静态、动态拉伸载荷作用下的刚度、失效力、失效位移等参数进行验证.
1颈部有限元模型的建立
选取某发育正常且无颈部损伤的3岁男童颈部CT扫描图片,利用Mimics V13.0对组织结构进行识别、提取,建立3岁儿童颈椎CAD模型.在此基础上,利用Hypermesh 10.0（Altair）对几何模型进行网格划分和前处理,建立了具有较详细解剖学结构的3岁儿童-C5颈椎段有限元模型,并基于LS-DYNA（971, LSTC, Livermore, CA, USA）仿真环境对本模型进行了准静态和动态拉伸验证.
-C5颈椎段模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、纤维环加强纤维薄膜、髓核、前纵韧带（ALL）、后纵韧带（PLL）、黄韧带（LF）、棘间韧带（ISL）、关节囊韧带（CL）、终板、终板软骨、生长板、小关节软骨、横突软骨及椎体软骨等解剖学结构,如图1所示.
2颈部模型材料参数
为了提高模型的生物逼真度,应尽量基于生物组织样本力学实验获得模型中的材料参数.然而,由于数值模拟技术自身的局限性,很难将实验中获得的数据直接用于有限元仿真中[6].因此,选取适当的材料模型及材料参数对模型的生物逼真度有着至关重要的作用.
2.1骨骼材料参数
在正常生理状态下,骨骼（皮质骨、松质骨）近似为线弹性材料；当骨骼的应变超过屈服应变后,其弹性模量随着载荷的增加而逐渐降低.因此,本文以*MAT_POWER_LAW_PLASTICITY材料模拟骨骼.
Panzer[7]开发的成人颈部模型中,皮质骨与松质骨弹性模量分别为16 700 MPa,291 MPa.Gilsanz等[8]发现3岁儿童骨质密度仅为成人骨质密度的0.805.本文以0.805作为3岁儿童骨骼材料的缩放系数[5].结合以上成人骨骼材料参数,即可获得3岁儿童颈部骨骼材料参数,见表1.
本文将终板的强度定义为皮质骨的1/3,即可获得终板的材料参数（见表1）[7].值得注意的是,表1中皮质骨、松质骨和终板材料参数K和N 分别为材料模型中的强化系数和硬化指数,即该模型对应的塑性力学参数.
2.2椎间盘材料参数
椎间盘主要由纤维环、髓核、终板软骨及生长板构成；其中纤维环由纤维环基质及镶嵌其中的加强纤维薄膜组成,如图2 所示.
2.2.1纤维环基质材料参数
采用*MAT_HILL_FOAM材料模拟纤维环基质的非线性力学特性及其在准静态条件下的可压缩性能.该材料的工程应力公式见式（1）.
2.2.2加强纤维薄膜材料参数
加强纤维薄膜由嵌在纤维环基质中不同方向的两簇纤维组成,其所成角度沿纤维环径向由外至内从±25°逐渐变化至±45°.本模型共设置4对加强纤维薄膜,纤维所成角度由外（第一层）至内（第四层）分别为±25°,±32°,±39°,±45°, 以*MAT_FABRIC材料模拟.根据成人椎间盘的加强纤维薄膜单轴拉伸实验[12]及3岁儿童椎间盘材料缩放系数0.705[9],即可获得3岁儿童椎间盘加强纤维薄膜工程应力应变曲线,如图4所示.
2.2.3髓核、生长板及软骨终板的材料参数
本文以液体材料模拟髓核,并令其材料参数与成人相同[13]；以*MAT-ELASTIC材料模拟生长板及软骨终板,并分别取其弹性模量为25 MPa,21.25 MPa[14],见表1.
总结:本论文可用于有限元论文范文参考下载，有限元相关论文写作参考研究。
参考文献：
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