钛合金固定股骨骨折系统的有限元分析及实验验证研究毕业论文_生物力学(编辑修改稿)

钛合金固定股骨骨折系统的有限元分析及实验验证研究毕业论文_生物力学(编辑修改稿)内容摘要：

、 3三个亚型 ,如图。 其中， A型为简单骨折 ，其亚型包括 A1为螺旋型 ， A2为 30176。 斜型 和 A3为 30176。 横型 三种； B型为楔形或蝶形骨折 包括 B1为楔形或螺旋楔形骨折 ， B2为弯曲楔形 和 B3为粉碎楔形骨折 ； C型为复杂骨折 包括 C1为螺旋粉碎骨折， C2为多段粉碎型 和 C3为无规律的严重粉碎型骨折。 图 股骨干骨折类型 了解骨折愈合机制是研究、设计及评价内固定器材的基础 ,骨折愈合是多种基因聚集、修复细胞的复杂过 程，其所需要适合的环境受多种因素影响，若因素改变或受到干扰会影响愈合的速度，甚至中断愈合导致骨不连。 近年来，生物力学发展迅猛，由于力学环境而影响骨折的修复越来越受到重视， 伍尔夫定律 证明了骨塑形的重要因素之一就是骨的力学环境。 断处的活动为多大是恰到好处的，而且骨愈合并不是十分牢固，想要达到牢固的愈合需要长期的固定才行。 张春秋等采用骨自优化理论与有限相结合的方式 ,用计算机模拟出骨折愈合塑形行为 ,进而证实了骨的结构形态对力学环境的最佳适应就是骨折愈合塑形过程 ,从而定量的说明了引起骨折愈合塑形的主要因素之一就是 力学环境 ,进一步证明了符合伍尔夫定律。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 10 本章介绍了人体 股骨、膝关节和髋关节 的 解剖 结构及其 生物力学特征；股骨干骨折的类型，骨折愈合的主要生物力学因素、伍尔夫定律等，是后续的有限元分析设计的基础。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 11 第三章 股骨干骨折系统模型建立及有限元分析 通过一、二章对论文研究基础的介绍，本章将简单介绍创建股骨干骨折系统模型的过程，以及将模型导入 ANSYS 软件进行分析得到的结果。 有限元分析的前提 有限元分析是要在一些必要假设 状态下进行，在满足本次有限元分析的前提下，做出如下几点假设： ⑴ 连续性假设。 物体在变形过程中仍保持连续性，不出现开裂或重叠现象，组成固体的物质不留空隙的充满了固体的体积。 ⑵ 完全弹性假设。 对股骨干骨折系统的弹性常数不随应力或应变的改变而改变。 ⑶ 均匀各项同性假设。 认为股骨内各点的测量结果相同，各方向的物理性质相同。 ⑷ 小变形假设。 在外力作用下产生的变形与其本身几何尺寸相比很小 ， 可以不考虑因 变形而引起的尺寸变化。 ⑸ 形体简化假设。 假设骨钉形状为标准圆柱体。 股骨三维模型的建立 反求工程的概念 反求工程也称逆向工程，是根据已存在的实物样本中获取数字模型并制造新产品的技术。 传统的产品开发流程为以下几部分产品功能需要→产品概念设计→产品总体及零部件设计→制定生产工艺流程→设计、制造工夹具、模具等工装→零部件加工及装配→产品检验及性能测试。 而逆向工程设计流程图如图 所示。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 12 实 物 原 型数 据 获 得反 求 软 件原 始 设 计 参 数还 原设计意图C A D 系 统产 品 数 字 化模 型新 产 品创新设计 图 反求 工程设计流程图 反向工程的技术流程为：对样品进行采集坐标数据，从得到的数据中分析样品表面的几何数据，然后进行数据拼合。 进行一系列的预处理（简化、三角化、去除噪音等）；由于测量模型常由多个表面构成，因而还需对测量的数据进行分块，再进行表面模型的拟合，最后倒入 CAD 进行产品模型的重构，如图 所示。 反求工程有以下几项关键技术： 1．数据测量 数据测量时反求工程的第一步，也是关键的一步，是反求工程的基础，只有在数据正确的前提下才能更好的实现 CAD 曲面建模。 主要分为接触式、非接触式和破坏式三类，其中代表性的数据 采集设备有三坐标测量机、光学扫描仪和断层扫描仪。 2．数据处理 数据处理技术主要包括数据预处理及特征提取、分割两个部分。 数据处理的目的是为了留下恰好能够重构出 CAD 模型的数据和对波点进行过滤。 3．模型重建 曲面重建是反求工程的关键步骤，其目的就是要满足对精度和光顺性的要求，并与相邻的曲面光滑拼接的曲面模型。 从已有的实物模型产出相应的 CAD模型的过程即为产品的三维CAD模型重构，为后续的工程分析、创新设计等提供数学模型支持。 图 逆向工程 关键 技术流程图 Mimics 即为 Materialise39。 s interactive medical image control system 是一个图像处理工具用来连接二维图像数据（ CT， MRI，工业扫描数据等）和三维工程学应用的。 通过使用 Mimics天津理工大学 2020届本科毕业论文 13 的图像分割方法，可以从医学研究区域中选择的数据，将结果计算成精确的三维模型，目前被广泛应用于骨科及心血管行业的学术及商业研究领域。 Geomagic 是一款逆向工程 CAD 建模软件。 操作步骤： （ 1）从点云中重建出三角网格曲面；再对三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格曲面； （ 2）对这些子网格参数化； （ 3） 用 NURBS 曲面拟合每个片子的网格曲面，得到保持一定连续性的样条曲面，用于后续 CAD 软件处理。 实现曲面造型的基本流程如图 所示。 数 据 收 集 数 据 预 处 理多 边 形 化 处理基 本 造 型 处 理曲 面 片 拟 合下 游 应 用 图 曲面造型流程图 股骨模型的建立 股骨是一个复杂形体，用 CAD 软件直接绘制十分困难，研究中多用 CT 图像通过反求得到股骨的三维模型。 股骨的数据采集工作是借助天津某医院旋转 CT 机完成的。 在相关医生的指导下对年龄30 岁，身高 米，股骨无疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨长轴 方向做切断面的扫描。 在扫描电压 120KV，电流 200mA，扫描层厚 1 mm，扫描层数 200 层，得到连续横断面图像以及矢截面图像，并将扫描的数据 存储为 DICOM 格式。 在 Mimics 软件中进行初期的点云处理。 通过文件头 Mimics 软件可以自动识别 DICOM格式影像数据的图像像素、物体实际比例，层距以及扫描架倾斜度 3 个必要参数，可以 通过直接 在 Mimics 软件中导入扫描图片操作 来 导入股骨 CT 数据，设定图片转换 的一系列 项目，完成 所需 转换，转换生成的股骨冠截面图和矢截面图 如 图 、 所示。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 14 图 股骨冠截面图和矢截面图 图 阈值曲线图 在 Mimics 中 构建股骨模型的 主要分步骤： （ 1） 阈值处理 利用分割目标部分的相邻像素间灰度值是相似的不同分割目标的像素值不同，来实现操作的，这是基于对灰度值的一种假设的阈值处理方法。 可以通过 查看 提取组织 的效果（噪点少，且骨组织完整）来确定 阈值设置 时 是否合适。 数值模拟是要将股骨看做由皮质骨构成。 用 “ profile line” 测量骨的 Hu 值得到如图 34 所示曲线，将灰度值 1686Gv（对应 Hu 值 662）以上定义为皮质骨。 点 击“ start threholding” 按钮， 功能设定 Hu 阈值为 662~1613， 弹出阈值设 置 对话框如图 所示 ， 点 击“ apply”完成。 图 阈值设置对话框 （ 2）编辑图像 经过 阈值 设定 生成的股骨 图像 中间 存在一些 空洞， 以便得到准确的 CT 图像，需要 利用图像编辑 功能逐图 进行修改 ，如图 所示。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 15 图 （ 3）三维计算 对蒙罩的股骨进行三维计算以便清楚直观地显示出股骨结构，如图 所示。 最后通过“ FEARemesh” ,在 Remech 中进行对股骨模型网格 进行 重新划分 ，应 用 “ smoothing” 命令细化网格，得到优化完成的股骨模型，如图 39 所示。 导出 Mimics 以 igs 格式保存文件。 图 股骨模 图 优化后的股骨模型 Geomagic 软件进行表面处理 （ 1）点阶段 在 Geomagic 中将 igs 格式股骨整体模型导入并形成点云，如图 310 所示。 点阶段处理：首先，点击“选择非连接项”，弹出管理器，选择分隔选项选择“中间”，大小选项选择“ 5”，选择并删除非连接点；其次，点击“选择体外孤点”，在弹出的管理器中选择默认值“ ”，选择并删除体外孤点。 然后，点击“减少噪音”工具，在弹出对话框中选择“棱柱型”，平滑等级偏低，偏差限定“ ”；最后，点击“统一采样”工具，在弹出对话框中选择“绝对”输入间距“ ”。 选择“封装”，在弹出管理器中选择“曲面”，封 装后得到曲面图如图 所示。 天津理工大学 2020届本科毕业论文 16 图 股骨点云图 图 封装后股骨曲面图 ⑵ 多边形阶段 在模型管理器中右键单击点云，选择“隐藏”，视图窗口只显示多边形，进行多边形阶段处理：首先，点击 “填充孔”按钮，有包括填充完整孔、填充边界孔及生成桥填充三种填充方式。 股骨需要用到“填充完整孔”功能；其次，点击“简化多边形”，在弹出的对话框中选择“三角形计数”模式，选择“固定边界”单选框，设置为“减少到 80%” ，选择“基于曲率优先”。 最后，用“去除特征”功能删除模型中不规则的三角形区域并且插入一个与周边三角形连接更好的三角形网格。 多边形处理后的股骨模型模型如图 所示。 图 多边形处理后的股骨模型 ⑶ 形状阶段 多边形阶段转换后经过技术处理所得到理想曲面模型，这个过程即为形状阶段。 主要流程如图。 将模型在 Geomagic 中以 igs 格式保存。 形状阶段处理后股骨模型如图 所示。 探 测 轮 廓 线 编 辑 轮 廓 线 探 测 曲 率 自 动 拟 合 曲 面曲 面 片 处 理格 式 生 成 处 理曲 面 生 成曲 面 输 出 天津理工大学 2020届本科毕业论文 17 图 形状阶段流程图 图 形状阶段处理后股骨模型图 钛合金接骨板、骨钉模型的建立及与股骨的装配 将 在 Geomagic 中 获得股骨 igs 文件通过软件端口导入 PRO/E 中 ，并在 PRO/E 中绘制股骨中段骨折所用接骨板及骨钉，将骨钉简化为圆柱体。 在 Pro/E 软件中完成股骨、接骨板及骨钉的装配，装配图如图 所示。 最后将装配好的股骨模型以 .x_t 格式进行保存，以备ANSYS 中使用。 图 股骨骨折系统装配图 ANSYS软件内建立股骨骨折系统模型 天津理工大学 2020届本科毕业论文 18 将骨 折系统模型的 .x_t 格式文件导入 ANSYS 软件，生成 ANSYS 软件内的股骨干骨折系统装配模型。 但此时的装配模型只是位置上的装配，各零件之间没有任何约束关系。 通过ANSYS 的 Boolean 制造股骨的骨折。 选择菜单项“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ Partition→ Volume→ Pick all” ， 将所有发生干涉的部分划分为单独的体，相邻的部分是粘接的关系。 然后选择菜单项“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ add→Volume”，将所有的骨钉合并成完整体。 选择菜单项“ Work plane→ Isplay working plane”，显示辅助坐标系。 选择“ Work plane→ ffset WP by Increments”将辅助坐标系设置于股骨中段。 点击 “ Main Menu→ Preprocessor→ odeling→ perate→ Booleans→ Divide→ Volu by wrkplane”选择皮质骨，将股骨从辅助坐标系的位置切割开，再次应用 菜单项“ Work plane→ offset WP by Increments”，将辅助坐标系上移 3mm，切割股骨，得到的股骨即为有限元分析所需的最终模型，如图 所示。 图 股骨骨折系统有限元模型图 内固定接骨板系统的有限元分析 定义单元类型和材料属性 对 股骨骨折系统模型进行划分有限元网格之前，需要设定所需的单元类型（ Element Type）、材料属性（ Material Props）和实常数（ Real Constants）。 模型曲面较多，单元类型选择八节点的四面体单元“ Solid 45”。 具体 参数见表。 点击“ Preprocessor→ Element Type→ Add„→ Solid→ Solid45→ OK → Close”设定所需要的单元类型。 天津理工大学 2020届本。