碳/碳复合材料人工骨的有限元分析及结构优化设计

摘要

该文利用三维有限元方法,在ALGOR软件的模块下建立了股骨的三维薄板类单元模型,在模块下绘出了股骨的应力分布图,对股骨进行了静态、动态三维有限元分析,对股骨骨干进行了抗弯强度分析.根据对股骨的三维有限元分析结果,对碳/碳复合材料人工骨提出了结构优化设计的初步方案.在用碳纤维进行三维偏织时,股骨颈等受力较大的部位应加密编织或加大厚度;骨干等受力较小的部位则稀疏编织;因骨干主要承受较大的弯曲和压缩载荷,股骨粗线部分应加大厚度,并采用椭圆形结构;关节头承受较大的摩擦力和冲击载荷,需增加其厚度.该文将有限元分析方法与计算机模拟技术相结合,整体分析了股骨的应力分布情况,证明股骨是结构优化的,为进一步开展C/C复合材料人工骨的三维偏织及碳沉积技术提供理论和设计依据.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2碳/碳复合材料的生物应用

1.2.1对生物医用材料的要求

1.2.2碳/碳复合材料的特性

1.3有限元法在股骨应力分析中的应用

1.3.1人体股骨的结构及力学性能

1.3.2有限元法(finite element methods)

1.4结构优化设计理论

1.5骨骼生物力学的研究现状

1.5.1国外骨骼生物力学的进展

1.5.2国内骨骼生物力学的进展

1.6生物力学的研究方法

1.7本课题的研究内容

第二章有限元分析方法

2.1有限元法

2.2有限元方法的基本步骤

2.3有限元软件

2.4 ALGOR软件

第三章股骨的应力分析

3.1引言

3.2球面应力的余弦分布

3.3股骨的结构

3.3.1股骨的结构

3.3.2股骨的力学性能

3.3.3膝关节与髋关节

3.3.4骨骼肌

3.4股骨模型的建立

3.5股骨静态应力分析

3.5.1施加约束

3.5.2施加载荷

3.5.3应力状态图象分析

3.6步行时股骨的应力分析

3.6.1施加载荷

3.6.2应力分析

3.7骨干抗弯分析

3.7.1建立模型

3.7.2施加约束、载荷

3.7.3应力状态图象分析

3.8本章小结

第四章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文