【正文】 Hz時(shí)，X方向幅頻特性曲線有一個(gè)非常明顯的谷值；在頻率剛過300Hz時(shí)，Y方向幅頻特性曲線有一個(gè)非常明顯的谷值。 模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真下面，本課題要改變?nèi)S空間外固定器系統(tǒng)的外部約束，并將人的脛骨設(shè)為約束，然后對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。本課題在這里同樣需要計(jì)算出本三維空間外固定器系統(tǒng)從一階到六階的固有頻率。將三維空間外固定器第三環(huán)的下平面進(jìn)行固定，并進(jìn)行模態(tài)分析，其結(jié)果如圖42圖42圖42圖42圖42圖429所示。圖424 模擬人骨狀態(tài)下一階固有頻率下的總變形圖圖425 模擬人骨狀態(tài)下二階固有頻率下的總變形圖圖426 模擬人骨狀態(tài)下三階固有頻率下的總變形圖圖427 模擬人骨狀態(tài)下四階固有頻率下的總變形圖圖428 模擬人骨狀態(tài)下五階固有頻率下的總變形圖圖429 模擬人骨狀態(tài)下六階固有頻率下的總變形圖從圖424到圖429，本課題可以分析出：，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)在三維空間外固定器第一環(huán)的邊緣上，從圖424還可以觀察到，三維空間外固定器的架體都在震動(dòng)的振幅應(yīng)當(dāng)為最大的；，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)在三維外固定器的第三環(huán)上，而整個(gè)架體的變形量依然較大，但是其大小的分布較散；，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)依然在在三維外固定器的第三環(huán)上，而第三環(huán)及其與桿連接處的變形量均較大；，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)在三維外固定器的第一環(huán)上，而這一階頻率變形量較大處較為集中，集結(jié)在最大點(diǎn)附近，但也有其他分散的應(yīng)力較大的點(diǎn)；，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)在三維外固定器的第一環(huán)上，同上一階相似，這一階頻率變形量較大處也較為集中，集結(jié)在最大點(diǎn)附近，但也有其他分散的應(yīng)力較大的點(diǎn)；；，在該頻率下總變形量最大的點(diǎn)在桿3的中部，而所有桿的中部平面的變形量均較大。然后本課題進(jìn)行三維空間外固定器系統(tǒng)有約束狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真。，本課題設(shè)置軟件的頻率掃描范圍為0Hz到350Hz，平均掃描50個(gè)點(diǎn)，并在三維空間外固定器第一環(huán)的上平面施加一個(gè)大小為100N的力。本課題選取測(cè)量六個(gè)固定針平均值的幅頻特性以及相頻特性曲線，得到的最終結(jié)果如圖4圖43圖432所示。圖430 模擬人骨狀態(tài)下X方向頻率響應(yīng)曲線圖431 模擬人骨狀態(tài)下Y方向頻率響應(yīng)曲線圖432 模擬人骨狀態(tài)下Z方向頻率響應(yīng)曲線在Z方向上，本課題為施加力的方向，而相對(duì)于無約束條件來說，該方向的頻率響應(yīng)曲線有了非常明顯的變化，已經(jīng)不再非常規(guī)律的減?。欢鄬?duì)于有約束條件的仿真，Z方向變化則趨近于無約束條件，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)剛過300Hz時(shí)有一谷值。在第一階、第五階與第六階固有頻率附近，Z方向的振幅都呈現(xiàn)出峰值的狀態(tài)。而X方向與Y方向上，相對(duì)于無約束條件及有約束條件情況，其頻率響應(yīng)曲線的關(guān)聯(lián)性更差。X方向在除第四階固有頻率外，在第一到第六階固有頻率附近時(shí)，振幅也明顯增加。而其振幅最低值約在130Hz附近。而在Y方向上，同樣也是除第四階固有頻率外，在第一到第六階固有頻率附近時(shí)，振幅也明顯增加。Y方向上一共有兩個(gè)非常明顯的谷值，其一是在頻率剛過75Hz的時(shí)候，其二是在約為260Hz的時(shí)候。從以上諧波響應(yīng)分析仿真，本課題可以得出結(jié)論：當(dāng)給予三維空間外固定器系統(tǒng)垂直于人骨方向（Z方向）一個(gè)激振力的時(shí)候，其對(duì)X方向與Y方向同樣會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。其頻率特性隨著約束的改變而改變，并在固有頻率附近發(fā)生共振現(xiàn)象。由于三維空間外固定器結(jié)構(gòu)的影響，X方向與Y方向的頻率特性不完全相同，卻有相似的特性。Z方向上的振幅約為X方向與Y方向上的100倍。由于本課題測(cè)量的頻率特性為六根固定針的頻率特性平均值，如果想要在振動(dòng)方向上探索加快骨骼愈合的方法，可嘗試尋找出在X方向上與Y方向上振幅較小而在Z方向上振幅較大的頻率來嘗試。 本章小結(jié)本章中，本課題主要利用了ANSYS Workbench軟件對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)仿真。首先，本課題針對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)進(jìn)行了有限元前處理，包括裝配體的建立、模型的導(dǎo)入、材料的設(shè)定、網(wǎng)格的劃分。然后利用前處理后的模型，本課題進(jìn)行了在不同條件下的靜力學(xué)仿真及諧波響應(yīng)分析仿真。在靜力學(xué)分析中，本課題分別模擬仿真了斷骨、完整骨以及模擬人骨三種條件下的靜力學(xué)特征，并通過ANSYS Workbench軟件生成三種不同條件下的等效應(yīng)力圖、等效彈性應(yīng)變圖以及總變形量圖，并找出了三種不同條件下等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變以及總變形量的最大值。通過分析結(jié)果，本課題認(rèn)為該三維空間外固定器系統(tǒng)的靜力學(xué)仿真與實(shí)際是相近似的。同時(shí)本課題也進(jìn)行了三維空間外固定器系統(tǒng)在無約束狀態(tài)下、有約束狀態(tài)下以及模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真，選擇六根固定針作為研究對(duì)象，并得出不同條件下系統(tǒng)的六階固有頻率以及頻率響應(yīng)曲線。通過頻率響應(yīng)曲線，本課題總結(jié)出激振力方向的振幅約為其他方向的1001000倍。并分析出可利用其它方向振幅相對(duì)較小而激振力方向振幅相對(duì)較大的頻率對(duì)脛骨進(jìn)行刺激，可能會(huì)探索出使骨骼快速愈合的辦法。5 結(jié)論與展望 結(jié)論本次課題一共經(jīng)歷了三個(gè)月的時(shí)間。在這三個(gè)月的時(shí)間里，筆者查閱了與三維空間外固定器相關(guān)的文獻(xiàn)共四十余篇，其中論文引用三十余篇，外文十余篇，涉及醫(yī)學(xué)、解剖學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造等學(xué)科，屬于一次跨學(xué)科的研究。本次課題主要完成了對(duì)泰勒空間外固定器的建模裝配、人體脛骨的建模以及外固定器與脛骨的總體裝配。，應(yīng)用CT掃描設(shè)備對(duì)成人患者的脛骨進(jìn)行掃描，并導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)交互軟件Mimics ，生成點(diǎn)云模型，這之后將點(diǎn)云模型導(dǎo)入到逆向工程軟件Geomagic Studio 12中進(jìn)行處理，經(jīng)過點(diǎn)云階段、三角形階段并最終生成曲面，將曲面以IGES的格式輸出。，最終包絡(luò)生成實(shí)體。在這些工作中，本課題對(duì)于成人脛骨的建模是最為困難的，其工作量也是最大的。此外，本課題對(duì)泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)泰勒空間外固定器進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。通過對(duì)泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器的對(duì)比，本課題較為細(xì)致的闡述了這兩個(gè)固定器之間的關(guān)系以及它們之間的相同之處與各自的特點(diǎn)，并對(duì)骨外固定器發(fā)展與現(xiàn)階段的情況有了較為詳細(xì)的說明。本課題對(duì)Stewart機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真。本課題簡(jiǎn)單的介紹了Stewart機(jī)構(gòu)，并對(duì)Stewart機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，利用公式進(jìn)行了計(jì)算。本課題采用DH法對(duì)Stewart機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解推導(dǎo)計(jì)算，并推導(dǎo)出六個(gè)桿的桿長(zhǎng)計(jì)算公式。本次本課題主要側(cè)重于Stewart機(jī)構(gòu)位置反解的仿真。利用在Adams/View軟件生成的六個(gè)桿的長(zhǎng)度、速度與加速度曲線，本課題驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的正確性，并分析了六個(gè)桿的長(zhǎng)度、速度與加速度之間的關(guān)系。在運(yùn)動(dòng)學(xué)正解接的仿真中，本課題利用MATLAB程序獲得桿的伸長(zhǎng)量，并帶入到Adams/View軟件模型中得出Stewart動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)，并將求解出的位置和姿態(tài)與預(yù)設(shè)的動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)作對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的正確性與模型的正確性。最后，本課題簡(jiǎn)單的分析了Stewart工作空間邊界的邊界條件，并給出了Stewart工作空間的求法。此外，本課題主要利用了ANSYS Workbench軟件對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)仿真。本課題針對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)進(jìn)行了有限元前處理，然后利用前處理后的模型進(jìn)行了在不同條件下的靜力學(xué)仿真及諧波響應(yīng)分析仿真。在靜力學(xué)分析中，本課題分別模擬仿真了斷骨、完整骨以及模擬人骨三種條件下的靜力學(xué)特征，并通過ANSYS Workbench軟件生成三種不同條件下的等效應(yīng)力圖、等效彈性應(yīng)變圖以及總變形量圖，并找出了三種不同條件下等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變以及總變形量的最大值。通過分析結(jié)果，本課題認(rèn)為該三維空間外固定器系統(tǒng)的靜力學(xué)仿真與實(shí)際是相近似的。同時(shí)本課題也進(jìn)行了三維空間外固定器系統(tǒng)在無約束狀態(tài)下、有約束狀態(tài)下以及模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真，選擇六根固定針作為研究對(duì)象，并得出不同條件下系統(tǒng)的六階固有頻率以及頻率響應(yīng)曲線。通過頻率響應(yīng)曲線，本課題總結(jié)出激振力方向的振幅約為其他方向的1001000倍。并分析出可利用其它方向振幅相對(duì)較小而激振力方向振幅相對(duì)較大的頻率對(duì)脛骨進(jìn)行刺激，可能會(huì)探索出使骨骼快速愈合的辦法。本課題充分的運(yùn)用了Creo 、SolidWorks201UG NX 、AutoCAD 200Mimics 、Geomagic Studio 1Adams 201MATLAB 201ANSYS 1Hyperworks 12等軟件，圓滿地完成了對(duì)三維空間外固定器系統(tǒng)建模、分析以及仿真工作。對(duì)于這一課題的完成，筆者收獲巨大。通過本次課題，筆者不僅了解了許多關(guān)于醫(yī)學(xué)尤其是骨科方面的知識(shí)，學(xué)習(xí)了眾多軟件，增長(zhǎng)了英語能力，而且對(duì)于機(jī)械以及跨學(xué)科有了更為深刻的理解與體會(huì)。 展望首先是對(duì)于本次課題。由于本次課題從開題到結(jié)題答辯的時(shí)間太短，只有不到三個(gè)月的時(shí)間，所以有許多深入的研究還可以繼續(xù)下去。第一點(diǎn)，對(duì)于Stewart機(jī)構(gòu)的研究方向。Stewart機(jī)構(gòu)屬于一種非常特殊的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它有六個(gè)自由度，工作空間較大。在現(xiàn)在的機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)床上應(yīng)用廣泛。本次課題對(duì)于該機(jī)構(gòu)的工作空間的研究甚少，而更注重于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)于理論的推導(dǎo)還可進(jìn)一步深入研究探討。第二點(diǎn)，對(duì)于三維空間外固定器的力學(xué)分析，本次課題對(duì)于外固定器系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析與諧波響應(yīng)分析，并得出了一系列數(shù)據(jù)。對(duì)于這些數(shù)據(jù)，本次課題僅僅進(jìn)行了初步的分析與猜想，并沒有進(jìn)行深入的剖析與論證。對(duì)于三維空間外固定器的力學(xué)分析，未來還可以有很大的研究空間。另外，雖然本次課題所建立的三維空間外固定器系統(tǒng)為一泰勒——伊里扎洛夫混聯(lián)系統(tǒng)，但是是主要的研究對(duì)象。泰勒空間外固定器是伊里扎洛夫空間外固定器的改進(jìn)版，但對(duì)于為什么會(huì)由伊里扎洛夫空間外固定器轉(zhuǎn)換為泰勒空間外固定器會(huì)更為穩(wěn)定，而桿的連接發(fā)生了變化，這還可以通過力學(xué)分析來研究其中的奧秘。第三點(diǎn)，對(duì)于空間外固定架而言，如何使斷骨更快愈合，本次課題僅僅對(duì)其與振動(dòng)相結(jié)合治療進(jìn)行了猜測(cè)。但這種方法是否可行，則需要有更多的臨床經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐與理論的證明。對(duì)于個(gè)人的展望。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該是我的第一次獨(dú)立完成的一個(gè)大的課題，這是第一次，但絕對(duì)不會(huì)是最后一次。第一次總會(huì)包含著新鮮、興奮但又美中不足。美玉需要雕琢，人更需歷練。學(xué)習(xí)只有起點(diǎn)，但永遠(yuǎn)都看不到終點(diǎn)。我需要不斷的努力下去，這樣我才會(huì)彌補(bǔ)我的美中不足，雕琢自己。成功還需歷練。參考文獻(xiàn)[1][D].[2]秦泗,[J].中國矯形外科雜志,2009年第17卷第16期[3]Renard 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