【正文】 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的 250N的數(shù)據(jù)單獨(dú)提取，與有限元分析結(jié)果微應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 見表 。 表 表 表 對(duì)應(yīng)有限元分析模型的建立 1 模型對(duì)照 股骨干骨折系統(tǒng)有限元分析模型與實(shí)物的對(duì)照，如圖 所示。 人體骨骼是各向異性，非均勻材料，并且?guī)缀涡螤顝?fù)雜。 本章小結(jié) 本章簡要介紹了逆向工程，并應(yīng)用逆向工程構(gòu)建了股骨模型； Pro/E 軟件繪制的接骨板、骨釘，裝配組成了股骨骨折系統(tǒng)模型；然后對(duì)股骨骨折系統(tǒng)在 ANSYS 軟件中進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)有限元分析后處理結(jié)果進(jìn)行了討論。 圖 接骨板在軸向加載下的 圖 股骨在軸向加載下的 等效應(yīng)力分布圖（愈合 50%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 50%） （ 2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨骨折系統(tǒng)、鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示；股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端最近螺釘處，最大等效應(yīng)力為 ，接骨板最大應(yīng)力處位于離股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為 ； 這說明在股骨愈合 50%時(shí)， 股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨主要承擔(dān)載荷，且股骨遠(yuǎn)端最近螺釘位置的強(qiáng)度，應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。 圖 關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)常數(shù) 設(shè)置材料特性 Main Menu→ Preprocessor→ Material Props→Material Models → New Model 輸入彈性模量 +005，泊松比為 。點(diǎn)擊 “ Main Menu→ Preprocessor→ odeling→ perate→ Booleans→ Divide→ Volu by wrkplane”選擇皮質(zhì)骨，將股骨從輔助坐標(biāo)系的位置切割開，再次應(yīng)用 菜單項(xiàng)“ Work plane→ offset WP by Increments”，將輔助坐標(biāo)系上移 3mm，切割股骨，得到的股骨即為有限元分析所需的最終模型，如圖 所示。最后，用“去除特征”功能刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域并且插入一個(gè)與周邊三角形連接更好的三角形網(wǎng)格。通過文件頭 Mimics 軟件可以自動(dòng)識(shí)別 DICOM格式影像數(shù)據(jù)的圖像像素、物體實(shí)際比例，層距以及掃描架傾斜度 3 個(gè)必要參數(shù)，可以 通過直接 在 Mimics 軟件中導(dǎo)入掃描圖片操作 來 導(dǎo)入股骨 CT 數(shù)據(jù)，設(shè)定圖片轉(zhuǎn)換 的一系列 項(xiàng)目，完成 所需 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的股骨冠截面圖和矢截面圖 如 圖 、 所示 。主要分為接觸式、非接觸式和破壞式三類，其中代表性的數(shù)據(jù) 采集設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀。 有限元分析的前提 有限元分析是要在一些必要假設(shè) 狀態(tài)下進(jìn)行，在滿足本次有限元分析的前提下，做出如下幾點(diǎn)假設(shè)： ⑴ 連續(xù)性假設(shè)。如系開放性或粉碎性 骨折 ，出血量可能更大，患者可伴有血壓下降、面色蒼白等出血性 休克 的表現(xiàn)；如合并其他部位臟器的損傷， 休克 的表現(xiàn)可能更明顯。時(shí)， 膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度最大。內(nèi)側(cè)髁的內(nèi)側(cè)面和外側(cè)髁的外側(cè)面各有一粗糙隆起，分別叫做內(nèi)上髁和外上髁。如果從外面看就是在臀部的后下方。主要研究內(nèi)容如下： 1．股骨骨折系統(tǒng)模型的建立：利用 Mimics 醫(yī)學(xué)軟件、 Geomagic 逆向工程軟件，基于CT 螺旋掃描圖像，重建股骨三維模型。 骨折的生物力學(xué)也常用有限元分析法進(jìn)行分析。如今國內(nèi)研制出綜合了 AO、BO的理論并且加入自己的獨(dú)到觀點(diǎn)的天鵝型記憶接骨器，研制出了利用了鎳鈦形狀記憶合金的奧馬金相可逆性的記憶合金接骨器，不僅已經(jīng)應(yīng)用于臨床，并且效果十分良好。 股骨骨折是屬于骨生物力學(xué)的一個(gè)重要研究課題 ,骨生物力學(xué)也是生物力學(xué)的一個(gè)重要分支。骨是一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。許多醫(yī)學(xué)工作者在我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合國外動(dòng)力加壓接骨板的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出多種接骨板系統(tǒng)包括角翼自動(dòng)加壓鋼板、非等強(qiáng)度自動(dòng)加壓鋼板、槽狀帶齒自動(dòng)加壓鋼板、梯型自動(dòng)加壓鋼板等。 Chand首先發(fā)展了早期膝關(guān)節(jié)的二維有限元模型 , 以后又出現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型。本文以鈦合金接骨板固定股骨中段骨折的三維重建模型為研究對(duì)象，基于 CT螺旋掃描圖像利用 Mimics 醫(yī)學(xué)軟件、 Geomagic 逆向工程軟 件，對(duì)股骨三維模型進(jìn)行重建，再通過三維 CAD 軟件建立接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)模型；運(yùn)用有限元法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，并對(duì)部分仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 6 第二章 股骨及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)的簡介 根據(jù)第一章對(duì)論文研究背景的介紹，本章將進(jìn)一步對(duì)論文所需的股骨模型的構(gòu)造等進(jìn)行簡單的介紹。 下端為兩個(gè)膨大的隆起，向 后方卷曲，分別叫做內(nèi)側(cè)髁和外側(cè)髁。 這種活動(dòng)不是隨意的 ， 而是骨外形結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)韌帶附著的結(jié)果 。骨折遠(yuǎn)端常有向內(nèi)收移位的傾向，已對(duì)位的骨折，常有向外凸傾向，這種移位和成角傾向，在骨折治療中應(yīng)注意糾正和防止。 張春秋等采用骨自優(yōu)化理論與有限相結(jié)合的方式 ,用計(jì)算機(jī)模擬出骨折愈合塑形行為 ,進(jìn)而證實(shí)了骨的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)力學(xué)環(huán)境的最佳適應(yīng)就是骨折愈合塑形過程 ,從而定量的說明了引起骨折愈合塑形的主要因素之一就是 力學(xué)環(huán)境 ,進(jìn)一步證明了符合伍爾夫定律。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 12 實(shí) 物 原 型數(shù) 據(jù) 獲 得反 求 軟 件原 始 設(shè) 計(jì) 參 數(shù)還 原設(shè)計(jì)意圖C A D 系 統(tǒng)產(chǎn) 品 數(shù) 字 化模 型新 產(chǎn) 品創(chuàng)新設(shè)計(jì) 圖 反求 工程設(shè)計(jì)流程圖 反向工程的技術(shù)流程為：對(duì)樣品進(jìn)行采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從得到的數(shù)據(jù)中分析樣品表面的幾何數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合。在相關(guān)醫(yī)生的指導(dǎo)下對(duì)年齡30 歲，身高 米，股骨無疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨長軸 方向做切斷面的掃描。選擇“封裝”，在彈出管理器中選擇“曲面”，封 裝后得到曲面圖如圖 所示。然后選擇菜單項(xiàng)“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ add→Volume”，將所有的骨釘合并成完整體。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模型更方便加載，本研究采用節(jié)點(diǎn)耦合、建立剛性域的方法施加載荷。 圖 圖 股骨在軸向加載下的 等效應(yīng)力分布圖（愈合 25%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 25%） （ 2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示 ； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端螺釘處，最大等效應(yīng)力為天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 24 ，接骨板最大應(yīng)力處位于 股骨遠(yuǎn)端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為 ； 這說明在股骨愈合 25%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨主要承擔(dān)載荷，且遠(yuǎn)端螺釘部分的強(qiáng)度，應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。接骨板的中段兩側(cè)部分的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足在 129Mpa 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。在我國電測法應(yīng)用于生物力學(xué)方面起步較早，在 1964 年，王云德、王汝英在國內(nèi)首先用電測法對(duì)跳遠(yuǎn)、跳高的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了力學(xué)天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 33 研究，成果顯著。動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試儀的數(shù)據(jù)以橡膠為例，數(shù)值穩(wěn)定后取絕對(duì)值最大值為該片在該力加載下的應(yīng)變值，取 為應(yīng)變片 1 在加載 250N 的應(yīng)變值。 但明顯可以看出，應(yīng)變片 4 的應(yīng)變值比填充物為聚氨酯時(shí)大了許多，且成為了除應(yīng)變片 5 以外最大值的應(yīng)變片； 4 應(yīng)變片位于股骨上離股骨近端最近的位置 ，這說明隨著股骨的愈合，股骨骨折系統(tǒng)中股骨逐漸開始承擔(dān)越來越多的應(yīng)力。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 40 第六章 結(jié)論與展望 結(jié)論 論文主要研究鈦合金接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)的有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理 通過實(shí) 驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理、統(tǒng)計(jì)，分別繪制了填充三種材料下 8 個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值的折線圖，如圖 、 、 所示。由于骨釘是力傳導(dǎo)的關(guān)鍵媒介，所以黏貼位置分別為骨釘?shù)膬啥耍?14 應(yīng)變片黏貼在股骨臨近骨釘?shù)牟课唬?8 應(yīng)變片黏貼在接骨板臨近 骨釘?shù)奈恢谩? 電測法的特點(diǎn) 。 圖 股骨骨折系統(tǒng)在軸向加載下的 圖 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） （ 2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示 ； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力位于股骨遠(yuǎn)端最近螺釘處，最大等效應(yīng)力為，接骨板最大應(yīng)力位于離股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為 ； 這說明在股骨愈合 90%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨主要承擔(dān)載荷，且股骨遠(yuǎn)端最近螺釘位置的強(qiáng)度，應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。由于前面已經(jīng)在股骨頭建好了剛性區(qū)。 表 單元類型和材料屬性 設(shè)置 彈性模量 泊松比 單元類型 鈦合金接骨板 105 GPa Solid 45 鈦合金螺釘 105 GPa Solid 45 股骨 15 GPa Solid 45 股骨骨折斷處（骨折時(shí)） 10Mpa Solid 45 股骨骨折斷處（愈合 25%） Solid 45 股骨骨折斷處（愈合 50%） Solid 45 股骨骨折 斷處（愈合 75%） Solid 45 股骨骨折斷處（愈合 90%） Solid 45 劃分網(wǎng)格 將表 31 中的 單元類型和材料屬性 輸入到 ANSYS 中，采用自由網(wǎng)格劃分方式分別網(wǎng)格化股骨模型和鈦合金接骨板與骨釘模型。 在 Pro/E 軟件中完成股骨、接骨板及骨釘?shù)难b配，裝配圖如圖 所示。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 15 圖 （ 3）三維計(jì)算 對(duì)蒙罩的股骨進(jìn)行三維計(jì)算以便清楚直觀地顯示出股骨結(jié)構(gòu)，如圖 所示。通過使用 Mimics天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 13 的圖像分割方法，可以從醫(yī)學(xué)研究區(qū)域中選擇的數(shù)據(jù)，將結(jié)果計(jì)算成精確的三維模型，目前被廣泛應(yīng)用于骨科及心血管行業(yè)的學(xué)術(shù)及商業(yè)研究領(lǐng)域。 在外力作用下產(chǎn)生的變形與其本身幾何尺寸相比很小 ， 可以不考慮因 變形而引起的尺寸變化 。其中， A型為簡單骨折 ，其亞型包括 A1為螺旋型 ， A2為 30176。當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲、內(nèi)收、內(nèi)旋時(shí)，股骨頭大部分脫離髖臼抵向關(guān)節(jié)囊的后下部，此時(shí)若外力從前方作用于膝關(guān)節(jié)，再沿股骨傳到股骨頭，易于發(fā)生髖關(guān)節(jié)后脫位。 人類日常生活中的站 、走、跑、 跳等多項(xiàng)活動(dòng)都離不開膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 。大轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)面有一凹陷 ，叫做 轉(zhuǎn)子窩。 第三章：本研究的有限元分析部分，主要介紹了對(duì)股骨骨折系統(tǒng)有限元分析的過程，包括模型的建立、有限元分析過程。旋前位固定； ②若外側(cè)移位 , 則采用屈 90176。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是一個(gè)很常見的手術(shù)， 全球每年大約要完成 30萬例。 AO 學(xué)派繼承了達(dá)尼斯等學(xué)者的內(nèi)固定思想和骨折一期愈合理論，倡導(dǎo)和推進(jìn)骨折內(nèi)固天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 2 定治的療與研究，提出了著名的 AO 四原則，包括了堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定、解剖復(fù)位、無創(chuàng)外科技術(shù)、術(shù)后早期無痛活動(dòng)。目 錄 第一章 緒論 .............................................................. 2 1． 1 引言 .................................................................... 1 骨折內(nèi)固定接骨板的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ......................................... 1 國外研究現(xiàn)狀 ......................................................... 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ......................................................... 2 骨生物力學(xué)有限元仿真的研究現(xiàn)狀 ........................................... 2 國外研究現(xiàn)狀 ......................................................... 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ......................................................... 3 骨生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ....................................... 3 骨生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的國外研究現(xiàn)狀 ..................................... 3 骨生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ..................................... 4 論文的研究目的、內(nèi)容及章節(jié)安排 ........................................... 4 研究目的