成年人腰椎三维动力学模型设计与性能分析的基础研究

摘要

脊柱相关疾病研究是一门新兴的学科。脊椎病是指脊柱由于力平衡失调或其周围软组织炎症而产生病变。目前，脊椎病已成为常见病和高发病，并且呈现出低龄化的趋势。因此，脊椎类疾病的防治与治疗越来越受到社会的重视。有限元方法是理论生物力学研究中最有效的应力分析方法，与实验生物力学方法相比，有限元法在可替代性、可重复性及可控性等方面具有独特的优越性。 本课题的主要研究内容是利用一种新方法进行人体腰椎段的建模，根据所查阅文献中获取的脊柱各结构数据，建立人体脊柱L3-L5段三维几何模型，利用有限元分析软件ANSYS进行了腰椎的力学性能分析，并采用3D打印的加工方法加工出腰椎实体模型，主要工作内容如下: (1)腰椎L3-L5段几何模型的建立。根据所查阅人体解剖学文献，得到成年男性腰椎L3-L5段各结构外形数据，运用SolidWorks分别建立腰椎的各部分结构，包括椎骨、椎间盘、小关节等，将各部分进行组合、装配，使得椎间盘与椎骨制件紧密贴合，并保持腰椎模型的前弯角度与生理弯曲角度一致，以便于后续ANSYS分析中进行加载与约束。 (2)腰椎L3-L5段有限元模型的建立。将SolidWorks中建立的三维几何模型导入ANSYS WorkBench中，进行前处理。在设置材料属性时，腰椎各部分结构的材料属性都不相同，其弹性模量呈梯度变化趋势。 (3)腰椎L3-L5段力学特性分析。完成有限元建模后，在软件中对该模型施加不同的力、力矩，通过Solve模块求解，在Solution中查看其应力应变情况。本文分别模拟腰椎直立位受压、侧屈以及腰椎前弯时椎骨与椎间盘的应力应变情况。得出如下结论:当腰椎承受轴向压力为500N时，椎骨的最大变形量为1.107mm，随着轴向压力的增大，椎骨的最大变形量也随之增加;当腰椎受到侧向力矩为2.5Nm时，椎骨L3上表面发生的侧屈角位移为1.2°;腰椎负重100N前弯过程中，当前弯角度为30°时，椎间盘的最大应力为2.78MPa，椎骨的最大变形为6.870mm。随着前弯角度的增加，椎间盘的应力与椎骨的变形均会增加。 (4)模型加工与测试。首先将模拟结果与前人实验数据作对比，验证其准确性。同时将所建腰椎三维模型利用3D打印方法加工出实体模型，所用材料为ABS，进行模型精度测试。将得到以下结论:3D打印出的模型分辨率较好，表面无毛刺，但是打印速度与打印精度仍需提高。腰椎有限元模型的力学性能测试与前人实验结果相符，说明本文所建腰椎模型是有效的，可以反映人体真实情况。 本文的研究成果不仅对脊柱生物力学研究提供了量化参考依据，而且为3D打印人工骨骼应用于脊柱外科手术提供理论依据，也为开发出新的3D打印材料（复合材料、功能性梯度材料等）提供帮助，从而推动脊柱相关疾病治疗研究向更加深入的层面发展。

目录

摘要

声明

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 腰椎生物力学特性研究现状

1．2．1 腰椎生物力学特性的研究方法

1．2．2 有限元法在脊柱生物力学特性方面的研究现状

1．3 3D打印技术在人体骨骼生物力学研究中的应用

1．3．1 3D打印的起源

1．3．2 生物增材制造技术的应用及优势

1．3．3 3D打印在生物医学领域的发展

1．4 论文主要研究内容与创新点

1．4．1 论文主要研究内容

1．4．2 创新点

1．5 选题的目的和意义

第二章 脊柱结构力学及其有限元法基础理论

2．1 腰椎的基本结构

2．1．1 腰椎的生理结构及特点

2．1．2 椎体生物力学特性

2．2 有限元法的基本原理及特点

2．2．1 有限元法的基本原理

2．2．2 有限元法的特点

2．2．3 有限元模型的单元类型

2．3 有限元法在腰椎力学性能中的应用

2．4 本章小结

第三章 人体腰椎结构的动力学有限元模拟

3．1 人体腰椎L3-L5段机械模型的建立

3．1．1 建模方法

3．1．2 建模流程

3．1．3 腰椎外形数据获取

3．1．4 模型建立过程

3．2 人体腰椎L3-L5段有限元模型的建立

3．2．1 有限元软件的选取

3．2．2 确定材料属性

3．2．3 椎体受力变形的数学模型

3．2．4 有限元模型的网格划分

3．3 腰椎模型受到轴向压力作用下的力学性能分析

3．3．1 边界条件

3．3．2 求解

3．3．3 结果分析

3．4 腰椎模型受到侧向力矩作用下的力学性能分析

3．4．1 边界条件及求解

3．4．2 结果分析

3．5 人体前弯负重过程的力学性能分析

3．5．1 腰椎前弯时的模型建立

3．5．2 边界条件及求解

3．5．3 结果分析

3．6 本章小结

第四章 基于3D打印技术人体腰椎模型的加工

4．1 Prusa Mendel桌面型3D打印机的简介及工作原理

4．1．1 Prusa Mendel桌面型3D打印机

4．1．2 Prusa Mendel 3D打印机的工作原理

4．2 Prusa Mendel 3D打印机的组装过程

4．2．1 机器的结构组装

4．2．2 机器的电路连接

4．2．3 上电调试

4．3 人体腰椎模型的加工

4．4 腰椎模型的参数测试

4．4．1 打印速度测试

4．4．2 打印分辨率测试

4．4．3 打印精度测试

4．5 有限元模型的验证

4．5．1 腰椎受轴向压力的变形验证

4．5．2 腰椎受侧向力矩作用下的变形验证

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介