人体损伤生物力学实验指导书.docx
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人体损伤生物力学实验指导书
人体损伤生物力学
实验指导书
湖南大学机械与运载工程学院
实验一冲击力模拟实验
一、实验目的和任务
通过开展冲击力仿真实验,学习基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法,具体包括:
1.对HYPERMESH和HYPERVIEW(或LS-PREPOST)等前后处理软件的使用;
2.掌握保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题;
3.掌握模型调试方法;
4.体会不同材料、高度、速度对冲击力的影响。
二、实验仪器和设备
软件:
LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW(或LS-PREPOST)。
硬件:
计算机。
三、实验步骤
1、模型提交计算与后处理
1)根据提供的初始模型,对文件进行求解计算。
2)查看完成计算所需的时间,ctrl+C,sw2。
3)查看仿真动画。
4)分析该K文件的单位制(mm,ms,kg,kN,GPa)。
2、有限元模型的质量缩放与能量问题
1)设置输出各种能量,*CONTROL_ENERGY。
2)为提高计算效率,增加质量缩放,*CONTROL_TIMESTEP,DT2MS:
-1.112E-06改为-1.112E-03,再改为-1.112E-02,并分别查看并记录所需计算时间,分析该参数对计算效率的影响。
讨论如何设置DT2MS的值。
3)查看计算获得的message文件,记录不同DT2MS设置下的质量缩放所引起的质量增加量及百分比。
4)输出总能量、动能、内能和沙漏能(DT2MS:
-1.112E-06),根据曲线分析能量转换。
3、输出并分析橡胶垫的冲击力
1)查阅橡胶的材料。
2)查阅车架、撑板、销轴和冲击头的材料。
3)输出冲击头处的冲击力,Contact_mass(CID:
1)。
4)输出两根连接销轴的四处接触力,Contact_chejia_zhou_L(CID:
3)、Contact_chejia_zhou_R(CID:
4)、Contact_chengban_zhou_L(CID:
5)/Contact_chengban_zhou_R(CID:
6)。
5)找出系统的最大应力及其出现的位置。
4、下落高度对冲击力的影响
1)修改冲击头距离橡胶垫的高度,初始值为5mm,分别修改为2mm、10mm和15mm。
2)计算不同高度下落对冲击力的影响。
3)找出系统的最大应力及其出现的位置。
5、输出并分析金属的冲击力
1)将橡胶垫的材料改为金属材料,可选用钢(206GPa)、铜(121GPa)铝(72GPa),使用MAT1进行定义。
2)不采用质量缩放,分别计算冲击力(CID:
1),对比上述材料与橡胶材料对冲击力的影响。
3)找出系统的最大应力及其出现的位置。
6、定义冲击头的速度(附加题)
1)上述仿真分析采用的是自由落体,现将冲击头距离橡胶垫的距离调为1mm,设定冲击头的初速度,分别为0.01m/s,0.1m/s和1m/s(取消重力加速度)。
2)分析不同初速度对冲击力的影响。
3)找出系统的最大应力及其出现的位置。
四、实验报告的基本内容和要求
1、实验设备和条件
2、实验内容
3、实验过程
4、实验数据(对于冲击力,需要给出曲线并分析对比最大力;能量曲线等)
5、实验结果分析及结论
实验二成人头锤冲击实验
一、实验目的和任务
通过开展成人头锤冲击仿真实验,继续学习基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法,并掌握行人头锤仿真方法,具体包括:
1.对HYPERMESH和HYPERVIEW(或LS-PREPOST)等前后处理软件的使用;
2.熟悉保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题;
3.熟悉模型调试方法;
4.掌握行人头锤有限元模型及其使用方法。
二、实验仪器和设备
软件:
LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW(或LS-PREPOST)。
硬件:
计算机、优盘。
三、实验步骤
1、模型提交计算与后处理
1)根据提供的初始模型,对文件进行求解计算。
2)查看完成计算所需的时间,ctrl+C,sw2。
3)查看仿真动画。
4)分析该K文件的单位制(mm,T,s,N,MPa)。
2、掌握行人头锤有限元模型的结构
3、有限元模型的质量缩放与能量问题
1)设置输出各种能量,*CONTROL_ENERGY。
2)为提高计算效率,设置合理的质量缩放参数,并分别查看并记录所需计算时间,保证质量增加不超过模型物理质量的5%。
3)选定合理的质量缩放参数后,计算模型并输出总能量、动能、内能和沙漏能,根据曲线分析能量转换。
4、输出并分析头锤的冲击力
1)查阅平板的材料。
2)查阅头锤橡胶的材料。
3)输出头锤的冲击力,SlaveContact_Hood。
4)对冲击力进行滤波。
5、输出并分析头锤质心的合成位移、速度和加速度
1)打开计算得到的nodout文件,按照要求输出各条曲线。
2)分析各条曲线。
6、改变Hood板的角度分析合成冲击力和加速度
1)在Hypermesh中修改Hood板的角度。
2)输出合成冲击力和合成加速度,并与原结果进行对比。
7、头锤自由落体改为定义初速度(附加题)
1)删除原文件的定义的重力加速度。
2)调整头锤和Hood板的距离,使两者仅留有很小的间隙。
3)对头锤定义面向Hood板冲击的初速度9.7m/s。
4)输出冲击力和头锤质心的合成加速度。
5)计算头锤的HIC值(要求曲线横坐标单位为s,纵坐标单位为g)
四、实验报告的基本内容和要求
1、实验设备和条件
2、实验内容
3、实验过程
4、实验数据
5、实验结果分析及结论
实验三成人胫骨有限元模型验证实验
一、实验目的和任务
通过开展有限元模型的验证实验,继续学习LS-DYNA的使用,掌握有限元模型验证的基本方法。
二、实验仪器和设备
软件:
LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW(或LS-PREPOST)。
硬件:
计算机、优盘。
三、实验步骤
1、动态验证所依据的试验
Kerriganetal(2003)的生物力学实验对人体胫骨进行了动态三点弯曲试验。
该生物力学实验不仅进行了胫骨中部的冲击实验,还进行了胫骨近心端和远心端1/3处的冲击实验。
首先将胫骨的两端装入金属方盒中,并用刚性聚亚安酯泡沫将长骨塞实,胫骨每端的塞入长度约为7.3cm。
胫骨的外侧朝上,内侧朝下。
每个金属方盒下方固结一个弧形金属板,将其放置在金属平板上,并在平板与弧形板间涂润滑油,以降低弯曲过程中由两端的接触力所产生的弯矩阻力,最大限度地降低边界条件对长骨的生物力学响应的影响。
在冲击块和支撑板处分别设置一个力传感器,测量实验过程中的冲击力和长骨两端的支撑力。
冲击块的宽度为12.7mm,其前端圆柱直径为12.7mm。
为减小碰撞位置的应力集中,在胫骨的弯曲试验中,冲击块前端包裹了一层厚25mm的ConforTM泡沫。
在试验时,首先将冲击块缓慢接触到胫骨外侧面,并保证有一个很小的初始接触力,然后将冲击块在15mm的距离内加速到1.2~1.5m/s,此后以恒定的速度对胫骨加载。
胫骨实验中冲击块的速度约为1.45m/s。
2、胫骨验证有限元模型
该模型模拟胫骨中部从外侧向内侧的撞击,整个有限元模型如上图所示,已经包含了生物力学实验中的主要部件。
金属方盒、弧形板和支撑平板均定义为刚体,冲击块也定义为刚体。
实验中填充在金属方盒中的聚亚安酯泡沫的密度与金属盒、弧形板等相比小很对,仿真中忽略其质量和惯性的影响,并将长骨与金属盒的连接定义为刚性连接(*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET)。
在胫骨验证中使用的ConforTM泡沫材料的特性参照文献Darvishetal(1999)建立。
在仿真中,通过长骨与冲击块的初始渗透模拟实验中的初始接触力,从而消除仿真过程中由于突然冲击而引起的长骨的振动。
由于在胫骨仿真验证中使用了泡沫,仿真中接触力曲线存在较大波动,文中采用SAEJ211/1100Hz对冲击力进行滤波。
3、实验要求
通过调整胫骨干材料的参数,使得仿真中输出的加载力-冲击头位移曲线与生物力学实验的数据尽可能吻合(注意单位制)。
可以与其中任意一条实验曲线接近。
加载力通过接触输出,CID:
25。
冲击头位移由节点NID:
9004263输出。
可以由这两条曲线在HyperView中得到力-位移曲线。
生物力学实验获得的力-位移曲线如下图所示(黑色曲线是调的比较理想的一条仿真曲线)。
请修改胫骨干材料的参数,使得计算得到的力-位移曲线与生物力学试验的数据尽可能吻合。
胫骨干材料的MID:
13360001,材料类型为分段线性弹塑性,*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。
需要参照LS-DYNA的关键字手册,对该材料卡片中的弹性模量E、屈服极限SIGY、切线模量ETAN、有效塑性应变FAIL进行修改。
模型已经设置了初始值,但结果并不理想。
请参照下表设置相关参数。
生物力学试验曲线的数据已经数字化,分别为文件:
Tibia_DY_Mid1.dat、Tibia_DY_Mid2.dat和Tibia_DY_Mid3.dat。
骨骼
密度
(kg/m3)
泊松比
弹性模量
(GPa)
屈服应力
(MPa)
极限应变
(%)
参考文献
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股骨上端松质骨
1100
0.3
0.616
6.6
13.4
股骨下端松质骨
1100
0.3
0.298
5.6
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胫骨腓骨松质骨
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0.3
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股骨干皮质骨
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0.3
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髌骨皮质骨
1500
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股骨头松质骨
1500
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股骨骨节松质骨
1500
0.3
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髌骨松质骨
1500
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股骨皮质骨
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0.315
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Takahashietal
(2000)[90]
胫骨皮质骨
1850
0.315
20.003
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1.5
松质骨
600
0.315
0.295
3.7
13.4
股骨头松质骨
600
0.315
0.792
9.1
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股骨胫骨体皮质骨
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16-17.5
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股骨胫骨干骺端
1800-2000
0.3
12-15
80-100
3
骨骺皮质骨
1800
0.3
5-6
80-100
3
腓骨髌骨皮质骨
1500-2100
0.3
12-15
80-100
2-3
松质骨
1300-1850
0.3
0.075-0.45
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皮质骨
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0.3
9-15
80-120
2-3
Arnouxetal
(2004)[93]
松质骨
-
0.3
0.010-0.45
10
3
四、实验报告的基本内容和要求
1、实验设备和条件
2、实验内容
3、实验过程
4、实验数据
5、实验结果分析及结论
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