文档介绍：工学硕士学位论文

股骨材料属性有限元模拟及
生物力学分析

FINITE ELEMENT SIMULATION OF
FEMORAL MATERIAL PROPERTY
AND BIOMECHANICAL
ANALYSIS

杨海胜

哈尔滨工业大学
2008 年 6 月
国内图书分类号:Q66
国际图书分类号:530

工学硕士学位论文

股骨材料属性有限元模拟及
生物力学分析

硕士研究生: 杨海胜
导师:郭同彤副教授
副导师: 马炘高级工程师
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 一般力学与力学基础
所在单位:深圳研究生院
答辩日期:2008 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: Q66
: 530

Dissertation for the Master Degree of Engineering
FINITE ELEMENT SIMULATION OF
FEMORAL MATERIAL PROPERTY
AND BIOMECHANICAL
ANALYSIS

Candidate: Yang Haisheng
Supervisor: Associate Prof. Guo Tongtong
Associate Supervisor: Senior Engineer Ma Xin
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: General Mechanics
Affiliation: Shenzhen Graduate School
Date of Defence: June, 2008
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
有限元方法已经被广泛地应用于研究生物组织结构的力学行为。有限元
网格由 CT 数据生成之后,给每个单元分配材料属性便成为了建立个性化有
限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。
CT 图像经过校验可以提供骨骼几何形状和密度信息,又由于 CT 数据集和
由它生成的网格模型在空间上是对应的。因此,通过选择适当的算法可以实
现每个网格单元材料属性的赋值。
这一领域的大部分研究都集中在各向同性材料属性的分配,因为这种算
法比较简单。然而,骨材料一般情况下被认为是各向异性而非各向同性的。
因此,本论文的目的是通过数值积分的方法给每个网格单元赋予材料属性实
现非均匀性的模拟,再合理定义主材料方向实现各向异性模拟,然后比较两
种材料模型在六种载荷状况下的力学分析结果的差别。我们选择四个感兴趣
区域分别进行等效应力和节点位移的比较。总体来说,本论文包括以下内容:
首先介绍 CT 数据和有限元网格数据的准备情况。由于初始的 CT 数据
是格式,比较复杂,我们首先将它转化为 VTK 格式。除此之外,
我们还介绍了有限元网格生成过程,包括 CT 图像处理、三维重建和网格划
分等。
通过编写程序读取 CT 数据和有限元网格数据,然后给每个网格单元分
配一种材料属性,这种材料属性是来源于单元处的骨组织密度。这一过程就
实现了材料属性非均匀特性的有限元模拟。
根据股骨干处的皮质骨结构以及股骨颈处的松质骨结构,松质骨的材料
主方向依据小梁骨结构定义,皮质骨的材料主方向依据哈弗系统的方向定
义。
为了全面地了解各向同性和各向异性材料模型的差别,我们给股骨施加
了六种载荷状况,选择四个区域的等效应力和节点位移进行比较。
结果显示,在股骨某些区域中,两种材料属性分配的差别是比较大的,
而且在出现最大等效应力和节点位移的区域中差别较小。因此,方向定义对
骨材料属性有限元模拟很重要。另外,载荷状况对比较结果的影响也是比较
大的。
关键词有限元分析;非均匀性;各向异性;材料属性分配;股骨
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The finite element method has been increasingly adopted to study the
biomechanical behavior of biologic structures. Once the finite element mesh