基于優(yōu)化的中國50百分位下肢有限元模型驗證方法研究.pdf

1、隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，行人安全狀況逐漸突出，行人安全已逐漸成為國內(nèi)外汽車安全研究的重要課題。由于下肢最先與汽車發(fā)生碰撞，下肢損傷在汽車與行人碰撞中非常常見。雖然下肢損傷不是致命傷，但是最容易導(dǎo)致長期或永久性殘疾。因此，探究下肢損傷機理對保護行人安全具有重要意義。有限元分析方法能夠準(zhǔn)確地模擬人體組織的應(yīng)力應(yīng)變，能夠較好地模擬汽車與下肢發(fā)生碰撞的響應(yīng)，已成為研究人體損傷機理的有效方法。然而，現(xiàn)有的下肢有限元模型都是基于歐美人體建立的，其生物力

2、學(xué)響應(yīng)與中國人體的差異值得探討。因此，本文將通過尺寸縮放方法建立中國50百分位下肢幾何模型，使用優(yōu)化方法開展全面的模型驗證，建立適合中國人體的下肢有限元模型。
　　本文采用計算機斷層(CT)和磁共振成像(MRI)技術(shù)獲取下肢模型的影像數(shù)據(jù)，運用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics和三維處理軟件Geomagic Studio，構(gòu)建下肢幾何模型。根據(jù)人體統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)將下肢模型縮放到中國50百分位人體尺寸。綜合使用ANSYSY ICEM CFD和

3、Hypermesh軟件對下肢模型進行高精度的六面體網(wǎng)格劃分，并根據(jù)下肢各部位的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性賦予不同的材料屬性。采用縮放方法對文獻數(shù)據(jù)進行縮放，以使得生物力學(xué)試驗數(shù)據(jù)適應(yīng)中國50百分位的人體尺寸。
　　為更全面地驗證下肢有限元模型的生物逼真度，本文對下肢有限元模型進行了多層次的全面驗證。在大腿、小腿模型的驗證中，使用優(yōu)化方法對長骨皮質(zhì)骨材料的彈性模量、拉壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線、失效應(yīng)變以及肌肉的體積模量進行優(yōu)化，使得股骨、脛骨、腓

4、骨、大腿和小腿的近心端、中部、遠(yuǎn)心端三個加載位置的動態(tài)仿真結(jié)果以及股骨、脛骨、腓骨中部縱向(A-P)和橫向(L-M)的準(zhǔn)靜態(tài)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。在膝關(guān)節(jié)模型的驗證中，使用優(yōu)化方法對前交叉韌帶(ACL)、后交叉韌帶(PCL)、脛側(cè)副韌帶(MCL)、腓側(cè)副韌帶(LCL)進行體積模量、超彈性系數(shù)、普羅尼算法系數(shù)和失效優(yōu)化驗證，并進行膝關(guān)節(jié)的四點彎曲和三點彎剪進行校驗。最后對整個下肢模型進行整體檢驗。
　　通過優(yōu)化方法，仿真曲線與