力学专业毕业论文基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析

1、本科生毕业论文设计中文题目基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析英文题目Finite element analysis of rat tibia onmicroCT imaging学生姓名 XX 班级XX 学号X学院机械学院专业工程力学指导教师 XX 职称 教授目录目录中文摘要IabstractII第1章绪论1第1节选题理论1第2节 研究背景及现状2第3节研究方法4第2章大鼠股骨模型的建立和修复5第1节用mimics建立大鼠股骨模型的三维模型52. 1. lmimics 软件简介52. 1. 2用mimics软件建模5第2节用magics对模型修复和网格划分10第3章轴向压缩试验模拟和股

2、骨抗压刚度的计算19第1节用abaqus模拟大鼠股骨的轴向压缩试验19第2节 用材料力学公式计算大鼠股骨抗压刚度26第4章结论与展望33第1节工作结论33第2节工作展望34参考文献37摘要中文摘要这篇论文一一基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析是通过abaqus软件模 拟大鼠股骨的轴向压缩试验,山此获得计算大鼠股骨抗弯刚度所需的弹性模量和 横截面面积.将这些参数代入材料力学中的公式求得抗压刚度EA.并在此过程中 熟练掌握mimics, magics, abaqus软件的使用.论文的研究方法是：首先通过微计算机断层扫描技术获得所研究大鼠股骨的 micro-CT影像.然后将影像导入mimi

3、cs软件建成三维实体模型并保存成stl文件 格式,再将三维模型导入magics软件进行修复和网格的划分修复.再将模型导入 abaqus软件,施加压缩载荷和边界条件,进行受力分析,得到线应变等.最后运 用材料力学公式求出抗弯刚度.与电子万能试验机做的压缩试验不同,本研究是通过有限元分析软件对股骨模 型压缩工况下的受力进行仿真模拟,从而得到所需的汁算参数.相较于实际操作 的压缩试验,这个研究方法更加简便快捷.通过有限元分析和带入公式计算可得所研究的大鼠股骨抗压刚度EA.关键词mimics magics 压缩有限元分析刚度吉林大学木科毕业论文abstractIll this papeimicro-C

4、T-based finite element analysis of rat tibia was used to simulate compressive mechanical testthen the longitudinal strain and the sectional area.these parameters were put into fonnulas of composite material mechanics to acquire compressive stiffiiess During tliis process,we should also master: mimic

5、s, magics and abaqusMethods: Firstly,the images of tibia were obtained using micro computed tomogi-aphy scamiing teclmology. Then the images were put into mimics to build tlii'ee-dimensional modeLand saved as stl file fonnat. later the model was put into magics to repair and remesh Secondly, the

6、 model was put into abaqus giving compressh-e loading and boundaiy conditions for mechanical analysis, the longitudinal strain and the sectional area were obtained. At last, ompressive stiffiiess was acquiied using fomiulas of composite matenal meclianicsDifferent fiom the test by electronic univers

7、al testing machine, this study is tliiough the finite element analysis software for maclianics simulation to get the calculation parameters.Compared with the actual operation of compressh-e loading test,this method is more convenientBy finite element analysis and the fomiula.the elastic compressive

8、stiffiiess EA was obtainedKeywords niiniics magics compress finite element analysis ompressional stifihessn绪论第1章绪论第1节选题理论本研究基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析,研究过程所用到的技术, 软件及理论等有：micro-CT影像技术,mimics建模软件,magics修复软件,abaqus 有限元分析软件,压缩试验以及材料力学的抗压刚度计算公式.micro-CT影像技术即微计算机断层扫描技术是一种扫描成像的技术,它跟普 通的CT不一样,用的是微焦点X线球管,对象是活体生

9、物和各种组织.它可以得 到样本内部的结构和特征而不会破坏样本本身,是非破坏性的,并且它的空间分 辨率高.Mimics是一套高度整合,比拟容易使用的三维模型生成和编辑的软件,它能 够支持各种各样的扫描信息,建立三维模型进行编辑.Magics软件可以导入stl文件格式的三维模型,并对模型进行修复和网格划 分.Magicsl3. 0软件是一个具有模型导入修复和网格划分等的功能的软件,它能 导入stl文件格式的模型,然后利用工具栏中的fix wizard功能对模型进行自动的 修复.它可以修复的功能包括 noimals, stitcliing, noise shells, holes, triangle

10、, shells 等类别.Magics 13. 0还具有remesh的网格划分功能,设置相应的参数后能自动生 成网格,其生成的面网格需再导入abaqus转化为体网格,才能进行后续的分析. 划分完网格之后,对于网格存在的自交义单元,破小单元等可以标记出来.再次 用fix wizard功能进行修复.对于模型存在错位的问题,magics还有smoothing的 功能来进行修复.Abaqus软件是一个有限元的分析软件,它可以模拟工程实践中的各种力学问 题来进行分析,它能够解决各种线性和非线性的问题.Abaqus软件分析模拟的过 程是：1前处理,即工程实例模型的建立,可以用到的前处理软件包括catia,

11、 吨等建模软件.2有限元分析,在这局部主要是对模型赋予材料属性,设定模 型的受力和边界条件,提交工作进行分析.3后处理,这局部是对分析的结果 等进行相应的计算.在工程实践中,经常用到受拉或受压的的构件,工作时以拉伸和压缩变形为 主.在圧缩试验中可以获得线应变和截面面积,从而计算模型或构件的抗弯刚度. 构件在外力作用下尺寸和形状都会发生改变,称之为变形.构件在变形的同时, 其上的点,面相对于初始位置也要发生变化,这种位置的变化就是位移.为了研 究构件截面上内力分布规律,就必须对构件内任一点处的变形作深入研究.为此, 设想把构件分割成无数微小的正六面体,此微小的正六面体在各边缩小为无穷小 时,称为

12、单元体.构件变形后,其任意单元棱边的长度及梁棱边间夹角都将发生 变化,把这些变形后的单元体组合起来,就形成变形后的构件形状,反映出构件 的整体变形.从构件的某一点的周围I取出单元体,与x轴平行的棱边此的长度 变化称为绝对变形,其比值表示每单位长度的平均伸长,称为平均线应变或相对 变形.当分母趋近于零时,即为沿X方向的线应变.它表示一点处沿某一方向长 度改变的程度.依据材料力学,弹性模量E的计算公式是：£斗 E =- 将I£ c3大鼠股骨模型的横截面拟合成椭圆环,于是可得面积计算公式：A = BD-Mo其中B, D为外圈椭圆环的长短轴,b, d为内圈椭圆环的长短轴.第2节研究

13、背景及现状本论文的研究附属于生物力学范畴.生物力学顾名思义.它的研究对象是生物 体,运用的方法是力学原理,研究的问题是生物受力的定向研究.它所研究的内 容包括了整个生物整体,生物的系统,器官,血液,体液,骨骼等.生物力学的 研究依赖于能量守恒定律,动量定律和质量守恒定律以及描写物性的本构方程. 生物力学的研究重点在于生理学和医学中有关受力的问题.根据所研究的对象可 以分成生物流体力学,生物固体力学和运动生物力学.而对大鼠股骨的研究那么属 于生物力学中的生物固体力学沁.它用到的方法和理论包括材料力学,弹塑性理 论,断裂力学,探究的是生物体的组织和器官中的力学问题.在近似的分析中, 人或动物的骨头

14、在压缩,拉伸,断裂的强度理论和状态参数都能够用到材料力学 的标准公式来计算.但是,骨头无论是形态还是力学性质上都是各向异性的X.中国在生物力学的研究在很大程度上是与传统医学相结合的,所以在骨骼力 学,脉搏波,无损检测,推拿,生物软组织等项口中已形成自己的特色.进行生 物力学的研究第一步是要了解生物材料的儿何特点,然后通过测定材料的力学性 质进而确定出相关的本构方程和边界条件,最后求解凹.对于上面得到的关于边 界条件的解还要用到相应的实验来测试验证.其至有时还要另外建立数学模型来 求解,证实理论与实验是一致的.另外用作实验对象的生物材料还有在体和离体 两种状态.在体生物材料一般处于受力状态,一旦

15、游离出来,那么处于自由状态. 两种状态材料的实验结果差异较大加:.微计算机断层扫描技术是釆用了与普通临床CT不同的微焦点X线球管,对活 体小动物或多种硬组织和相关软组织进行扫描成像分析的技术.该技术是一种非 破坏性的3D成像技术,可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构. 它与普通临床的CT最大的区别在于分辨率极高,可以到达微米级别.Micro-CT 可用于医学,药学,生物,考古,材料,电子,地质学等领域的研究.生物固体力学是利用材料力学、弹性力学等地根本理论与方法,研究生物固 体组织与生物器官中和它类似的力学问题.在分析中,动物骨头的拉伸、压缩、 断裂的强度大小和状态参数都可利用材

16、料力学中的公式3.但是,不管在形态上 还是力学性质上,骨头都有各向异性.20世纪70年代以来,对与骨骼地力学性质已经有过很多理论和实践研究,例 如如组合杆假设、二相假设等等,断裂力学、有限元、应力套方法和先测弹力法 等检测方法都已经应用在骨骼力学研究.骨骼是一种复合材料,它的強度不仅与 骨的构造有关,也和材料本身有关.骨骼是骨胶原纤维与无机晶体地复合物,骨 板是山纵向纤维与环向纤维构成的,骨骼中地无机晶体可以大大的提升骨强度. 表达了骨用最少的结构材料来承受住最大外力地功能.植物与昆虫表皮都是纤维嵌入到其他材料中所构造成的复合型材料,它和山 很细的玻璃纤维镶嵌在合成树脂中构成地玻璃钢地力学性质

17、相似.动物和植物是 山糖、蛋口质类、脂类等构造成的高聚物,应用橡胶与塑料的高聚物理论可求出 出蛋口质与糖的力学性质.粘弹性和弹性形变、弹性模量等知识不只可以用于山 氨基酸组成地蛋白质,也可以用来分析相关细胞地力学性质.例如细胞分裂时的 微丝作用力,肌丝地工作方式与工作原理以及细胞膜地力学性质等等.绪论生物力学工程有很多人在研究股骨方面做了突出奉献.股骨是最具有代表性 的,它是人体内最大最粗的长骨,股骨的研究,使人体骨骼在力学分析中具有更 加重要的意义,同时也需要在力学方面进行深入的研究.股骨近端处于一个特殊 的、复杂的力学环境中,它的解剖结构也与之相照应.在以往的理论中,骨大体 分为三种材料：

18、皮质骨、松质骨和骨髓,这样的话构建模骨模型就存在着许多问 题,不仅需要确定这三种材料的解剖而,在网格规划方面也会消耗大量的时间,还不能十 分精准的反映岀秤骼的力学特征.因此,一般情况下,整个骨的强度特性可以由内部骨组织的分布和属性 和外部骨骼外貌两大因素所决定.因此可以利用ImageJ软件,将不同月龄 的大鼠股骨CT影像导入其中,分析出其皮质骨截面面积和最小惯性矩,分析其内 部骨质密度,从而分析出不同月龄大鼠骨骼的差异,也可以分析出骨骼更加脆弱 的部位是哪里.利用Mimics软件建立3D模型,可以从外部因素分析骨骼,查看 不同骨骼形状利用力学分析其承受水平的性能可以将不同形状的骨骼定义为同 种

19、材料.从结论中分析出的资料有利于人们进行骨骼保护,对自身的平安性有 较大的提升.生物固体力学是利用材料力学、弹性力学等地根本理论与方法,研究生物固 体组织与生物器官中和它类似的力学问题.在分析中,动物骨头的拉伸、压缩、 断裂的强度大小和状态参数都可利用材料力学中的公式.但是,不管在形态上还 是力学性质上,骨头都有各向异性.20世纪70年代以来,对与骨骼地力学性质已 经有过很多理论和实践研究,例如如组合杆假设、二相假设等等,断裂力学、有 限元、应力套方法和先测弹力法等检测方法都已经应用在骨骼力学研究.骨骼是 一种复合材料,它的强度不仅与骨的构造有关,也和材料本身有关.骨骼是骨胶 原纤维与无机晶体

20、地复合物,骨板是山纵向纤维与环向纤维构成的,骨骼中地无 机晶体可以大大的提升骨强度.表达了骨用最少的结构材料来承受住最大外力地 功能.植物与昆虫表皮都是纤维嵌入到其他材料中所构造成的复合型材料,它和由很细的玻 璃纤维镶嵌在合成树脂中构成地玻璃钢地力学性质相似.动物和植物是由糖、蛋白质类、脂 类等构造成的髙聚物,应用橡胶与塑料的髙聚物理论可求出出蛋白质与糖的力学性质.粘弹 性和弹性形变、弹性模量等知识不只可以用于由氨基酸组成地蛋白质,也可以用来分析相关 细胞地力学性质.例如细胞分裂时的微线作用力,肌丝地工作方式与工作原理以及细胞膜地 力学性质等等.人体中最大的骨头是股骨,他是一种长管状的骨骼叭

21、对于股骨来 说,可以把他分成一个体但是两个端面,下面的图片是股骨的具体的模样.股骨 头在股骨的上端他的方向朝向内上方他的形状是球形,山于球形的原因他可以与 骯臼互相匹配.股骨颈在股骨头的外下方,股骨颈相对于股骨头比价细.颈干角 是股骨干与股骨颈所形成的一个角度,颈干角是有一左的范囤的,它的范围是110至140, 脸内翻是小于最小值得称呼,慨外翻是大于最大值得称呼,但是男女角度平均值是不同的对 于女性来讲,她们的角度平均为127,而男性那么到达了 132.大转子是股秤中一个向上的凸起, 它的位巻在股件颈还有股计干交叉的地方的外侧,还有一个被称为转子窝的位苣,它在股骨 颈与股骨干交叉的内侧.小转子

22、也是一个凸起他在大转子的下面,骨粗隆间是大转子 小转子两者相互交义的位置.侧礫与外侧傑是两个凸起,非常膨大,处于股骨的 下端.備面是一个非常光滑的截面,他在内侧傑与外侧繰的下面与后面有关节面 与胫骨上端相关节的前面.内上繰和外上髒是两个隆起部位,非常粗糙,分别处 于内侧探的内侧面以及外侧探的外侧面.大鼠股骨模空的建立和修复第3节研究方法基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析,整体研究思路和方法就是：利用 mimics建模软件将获得的大鼠股骨CT影像导入并建成三维模型.然后将模型保存 成stl文件格式导入magics软件,利用fix wizard对模型进行修复,利用remesh 对模型进行

23、面网格的划分.重复标记错误单元并进行修复,以完善三维模型.随 后将其保存成inp文件格式,导入abaqus软件进行有限元分析.先将面网格变成 体网格,再施加横向压缩载荷和边界条件,对模型进行有限元分析,得到线应变. 再通过的模型的测量得到模型最大最小内外径.将所有参数带入材料力学的抗压 刚度计算公式即可求得所需结果.9第2章大鼠股骨模型的建立和修复第1节用mimics建立大鼠股骨模型的三维模型2.1.1mimics软件简介Mimics软件是一种医学上的影像限制系统,它是模块化的结构软件.它有各种 各样的图片处理功能,包括导入,分割,可视化,配标,测量等.它有许多的模 块,包括快速成型切片模块,

24、MedCAD模块,仿真模块和STL+模块.它可以输入 各种的扫描数据来建立三维模型然后编辑,再输出计算机辅助设计,有限元分析, 快速成型的格式.Mimics还可以对模型划分网格,从而提升处理速度.可以很容易的将不规那么 的三角片转化为趋近等边三角形.Mimics还具有材料分配的功能,在载入体网格 后,FEA功能就能够依鼎扫描的数据图像为网格每一个单元计算岀灰度值,再山不 同的灰度去定义对应的材料.也可以根据密度,弹性模量,泊松比去定义材料. 分配了材料属性的体网格模型可以保存成相应的文件格式用于后续的有限元分 析.这里用到mimics软件是为了重建大鼠股骨的三维模型,主要用到的是niiniic

25、s 软件的图像导入功能和三维重建功能.具体操作过程演示如下.2.1.2用mimics软件建模1.取12只实验鼠,其中3月龄,9月龄,15月龄大鼠各四只.通过微计算机断层 扫描技术获得其在股骨micro-CT影像.下面是编号为1的实验鼠在3月龄时的部 分CT影像.说明：本论文都取编号为1的实验鼠在3月龄时的股骨CT影像的 建模,修复,网格划分,有限元分析作为操作说明,其余编号的试验鼠的建模, 网格划分以及有限元分析的过程完全一致,修复上的差异会另外说明.因此只列 出最后的有限元分析结果r1Oo1 ooooIooOIooooooe>II M图2-1大鼠CT影像2.翻开建模软件mimicslO

26、. 01,导入大鼠股骨的micro-CT影像.由于所研究问题是横向加压,为了减少计算机的工作量,只取骨干局部约整个股骨的三分之二进行建模以及后续的研究工作.具体操作过程是:file-iinpoit images-选择骨干局部的 CT 影像-next,slice distance 改为 0. 018, pixel size 改为 0. 01& -ok-con-ert-nextImport magesBmp.iTiff Importnieces3M3M3VW3M3M3M弭3M弭3M弭券-7-77- 7- 7- 7- 7- 7- 7- 7- 7- 7- 7-二GGGGGGGGGGGGGC z

27、2222zzz- z-zz-zz-：ec5639.i > ;ec5S4J.lr| rec5641.l re6642.l ©5543.1 曲644 愆56皈I re:5646 底56刁 曲?8.1 rec56« .1 ©5650 &5551Indg "nfomattrSize:768 X 8W pTtaaepositens for:弓 Ejlrfvert Table PosiDonsFie Size:615478 bSort9 NIDI.A»aMo'/eFirst TaaePositxxi: 0.000DXCPreview

28、OK | | Cancel | 昵Tarset Ciredory pVdData巨| «Ba& Convert Cancel Help图2-2导入图像3.设置导入的模型的方位,即在接下来出现的图框中,将左上方视图中上端的X 设置为top,左端的X设置为left将左下方视图的左端X设为anterior,设置完毕 后单Ai oko图 2-3 change orientation4设置阈值,具体的操作过程是：单击thwsholding-默认的设置min为226, max 为 3040-predefined thresholds set 选为 Bone(CT)-applyo图 2-4

29、 thresholding5.单击 region growing-source 选为 Yellow,Target 选为 New Mask-选中右侧视图中的 股骨CT影像(颜色由绿变黄)close.Region GrowingSource: arg皂t: |? Leave Original Mask Yellow -V旦 <New Mask> 3 Multiple LayerClose图 2-5 region growing6.将导进来的micro-CT影像重建为三维实体模型,具体操作过程为:单击calculate 3D-选择 Yellow,Quality 选为 Low-calcul

30、ateo图 2-6 calculate 3D于是可已得到大鼠股骨骨干局部的三维模型3 ict 乙-Mt VWw TookCMF/Sml*hoo MedCAD RA R«9«trtfK<i «O<t CpOX« MH>a.-%?；>M»<ut»oa<4 出图2-7三维模型的建立图2-8大鼠股骨三维模型6.将大鼠股骨的三维模型保存为stl文件格式用于后续的分析.具体操作为：export-binary stl. - 3D 一选中 Yellow 1 add-finish.吉林大学木科毕业论文图2-9保存为s

31、tl文件格式第2节用magics对模型修复和网格划分Magicsl3. 0软件是一个具有模型导入修复和网格划分等的功能的软件,它能 导入stl文件格式的模型,然后利用工具栏中的fix wizard功能对模型进行自的修 复.它可以修复的功能包括normals,stitching,noise shells,holes,tiiangle,shells 等类别.Magics 13. 0还具有remesh的网格划分功能,设置相应的参数后能自动生成网 格,不过生成的网格是面网格,再导入abaqus之后还得转化为体网格,才能进行 后续的分析.划分完网格之后,对于网格存在的自交义单元,破小单元等可以标 记出来

32、.再次用fix wizard功能进行修复.对于模型存在错位的问题,magics 还有smoothing的功能来进行修复.本论文在前面用mimics软件建成的大鼠股骨模型需要导入magicsl3. 0软件 进行修复,修复完成之后保存成inp文件格式用于后续的有限元分析.整个修复 过程的演示如下：1 翻开magics 13.0,将所保存的stl文件格式的大鼠股骨三维模型导入,具体操 作为：file-import part-选择模型文件-open.I大鼠股骨模空的建立和修复o 'XWHo n 场2 fdt VWw Toc« AMIavnc MDd«lK IMRt-TM O

33、0M«< Hrtf心“仝 誑航 &莎©恳*,*F"图2-10导入三维模型2利用 magics 的工具对模型进行修复:tools-fix wizard-upgrade the memoiy stmcture of pait-yes. Fix Wizard (Part: 3-1) > NormalsL=回幻 DiagnosticsCombined Fix10 Normals 弓 StitchingNoise Shells 屋I Holes 豳 TrianglesOverlaps Q ShellsDiagnosticsp 0in verted no

34、rrnals deteutid,G UpdateAdviceGo back to the 'Diagnostics' page to continue.Automatic FixingGo to Advised Stepg ProfilesCloseHelp图 2-11 fix wizard11吉林大学木科毕业论文Delete Selected ShellsSeparate Selected Shellslionnals-update-automatic fixing .stitcliing-updateo noise shells选中质量为冬的块 -delete select

35、ed shells oVClosedTrianglesSurface (mmA2)Volume (mm.V21705234466767610720000713600V12000j 门 ManualDetect NoiseSelect AllInvert SdHide UnselI图 2-12 manuallioles-update,triangle-update,o*erlaps 不用管. shells 在 diagiostics 中显示为 1 shells detected 即可. 4 对模型进行网格划分：modulewnwsh图2-13模型划分网格选那么 triangle reductio

36、n-nonnal» 在 global 中将 smallest detail 改为 0. 05-ok.吉林大学木科毕业论文Triangle Reduction| SS |图 2-14 triangle reduction图2-15大鼠股骨三维网格模型选择 auto remeshsplitbased method,将 quality tlii'eshold 改为 0. 3, mill edge lenth 改为0. 10, max edge lenth改为0. 15.其余保持默认值.Auto Remesh (Split-Based Method)枣Quality threshol

37、dMax geometry errorMin edge lengthNumber ofiteratio nsNumber of move iterationsMax edge length1.000.05min0.01mm101mm0.00E Preserve initial mesh quality LocalOK Cancel Help图 2-16 auto remesh于是可得画好面网格的大鼠股骨三维模型图2-17大嚴股骨网格模型5标记有问题的单元：filter sharp tiiangle ,filter 设为 0. 05mm, action 选为 Mark -oko大鼠股骨模空的建立

38、和修复Filter Sharp Triangles簧Max WidthFilter0.300mmAngle5°ActionO Collapse(j Delete triangles(e) Mark| OX 的cel I 嘟图 2-18 filter sharp triangles图2-19被标记的有问题爪元图中被标记的即为有问题的单元,运用右侧的part quality sheet,调节图中竖线到0.3,即显示出问题的单元个数.I大鼠股骨模空的建立和修复1Quality histogram Q | I G Max °？°R-inyR-out (N) Min 0.0

39、0VisualizationI ; Color trinngQs with low qualityMark bad Mark groupCalculate3show allUnmark groupI Group: EEiOBElofoBoun level 1*3嘶烦图 2-20 quality histogram6退岀网格划分模块,对模型及网格重新进行修复：file-exit meshing moduleo7重复笫二步的修复过程,和第三步的remesh的网格划分过程,即可得到相对较 好的大鼠股骨模型.将模型保存为inp文件格式用于后续的有限元分析.图2-21错位股骨模型说明：对于有些大鼠股骨模

40、型如3-2, 9-1, 9-2等,存在模型错位的问题.在笫一次的fix wizard和wmesh之后,需要对错位局部的网格进行光滑处理,具 体操作过程为：单击mark polyline按钮,将错位的网格涂上.illSWIM图2-22修复错位股骨模型isw然后利用tools里的smoothing功能进行光滑,sti'ength为白分之六十.吉林大学木科毕业论文1图2-23光滑处理于是得到光滑后的模型轴向压缩试验模拟和股骨抗压刚度计算第3章轴向压缩试验模拟和股骨抗压刚度的计算第1节用abaqus模拟大鼠股骨的轴向压缩试验在工程实践中,经常用到受拉或受压的的构件,工作时以拉伸和压缩变形为 主

41、,如果构件所受的外力或所受的外力合力作用线与杆的轴线是重合的,那么称之 为轴向拉伸或轴向压缩.Abaqus软件是一个有限元的分析软件,它可以模拟工程实践中的各种力学 问题来进行分析,它能够解决各种线性和非线性的问题.Abaqus软件分析模拟的 过程是：1前处理,即工程实例模型的建立,可以用到的前处理软件包括catia, 呃等建模软件.2有限元分析,在这局部主要是对模型赋予材料属性,设定模 型的受力和边界条件,提交工作进行分析.3后处理,这局部是对分析的结果 等进行相应的计算.本论文在大鼠股骨模型修复完之后,保存成inp格式导入abaqus施加压缩载 荷和边界条件,具体操作过程如下：H Site

42、 BrfU gopcft 也wCfi«*trert r«at«r« looH 阿Jra "p V3-1 has bwn CTMtvdA5T-1 ts bm $呻<«3 tic*kr.：<K tUe3-1* h" Zn iiipotted fro* on snpacJ； W RO chH for ens 沏 sgtug1 导入所保存的大鼠股骨inp文件,具体操作过程为：file-import-model-oko；D白R e毎t®rsm “筋勺i?耳厲o吐=旳： Qx 3-1d Medel-：£

43、IT* 営 >ob> laM图3-1将模型导入abaqus2. 山于magics的remesh画的网格是面网格,需要在abaqus中把它变成体网格, 具体操作过程为:进入mesh模块,将object ill assembly变为part.单击菜单栏中 0勺 mesh-edit.-categoiy 选为 mesh,method 选为 convert tri to teto -ok to mesh the part with tetSo3. 进入propeity模块,对大鼠股骨赋材料属性,具体操作过程为：1 create matenal-mechaiiical-elasticity-e

44、lastic.Young's Modulus 设为 15000, Possion'Ratio 设 为 0. 3-oko图3-2赋大鼠股骨的材料属性(2) create section-name 设为 section-1, categoiy 设为 solid, type 设为 liomogeneous-continue-oko令 Create SectionCategoryTypeo SolidHomogeneous© ShellGneralized plane stra!nBeamEuleria n©FluidComposite*OtherName: Sec

45、tion-1令 Edit Secti onMaterial:Material-!日j Plane stress/strain thickness:1Name: SectiType; Solid, HomogengousCon tinue.Ca nczelOKCa ncel图3-3创立截面属性assign section-在 select the regions to be assigned asection 中选图3-4选择整个股骨模型令 Edit Section AssignmentRegionRegion: Set-1SectionSection; SectionlNote: List c

46、ontains only sections applicable to the selected regions.Type:Solid, HomogeneousOKMaterial: Material-1Cancel图3-5编辑截面属性4进入assembly模块,建立右端面的一个节点集合.具体操作过程为：tools-s* create- name 设为 set-1,type 设为 node-continue-S select the nodes for the set 中选择 by anglelO. 0-选中左端面的所有节点-done.图3-6施加约束5.进入step模块创立分析步,具体的操作

47、步骤为：create step-name设为step-1, procedure type 设为 static general-continue 图3-7创立分析步=Edit StepName: Step-1I Type: Static, GeneralCancel图3-8编世分析步6进入load模块,对大鼠股骨模型施加压缩载荷和边界条件,具体操作过程为：(1) create boundaiy condition,name 设为 BC-l,step 设为 initial, categoiy 设为 mechaiiicaL types for selected step 选择 symmetryAmt

48、isyinmetry/Encastiv continue- choose type of region ,单击 suts-选择 set-1-continue-选择 ENCASTRE (U1=U2 = U3=UR 1 =UR2=UR3=0)-OK.33Name:BC-1Type：Symmetry/Antisymm etry/E ncastreStep;InitialRegion:Set-1=Edit Boundary ConditionCSYS: (Global)R AO XSYMM (U1 = UR2 = UR3 = 0) YSYMM (112 = UR1 = UR3 = 0)ZSYMM (U

49、3 二 UR1 二 UR2 = 0)XASYMM (U2 = U3 = UR1 = 0; Abaqus/Standard only)YASYMM (U1 = U3 = UR2 = 0; Abaqus/Standard only)ZASYMM (U1 = U2 = UR3 = 0; Abaqus/Standard only)O PINNED (U1 = U2 = U3 = 0) o ENCASTRE (U1 = U2 = U3 = UR.1 = UR2 = UR3 = 0)Cancel图3T编输边界条件2由于大鼠股骨模型是一个不规那么的,不完全对称的椭圆环,所以在轴向加压 的时候,必然会是偏心完

50、屈,即既有压缩的存在,乂有弯曲的存在.而所研究的 问题是大鼠股骨的抗圧刚度,我们只关心股骨模型沿轴向的应变而不考虑其弯曲, 所以可以限制股骨模型所有节点沿其它方向的位移,只允许沿轴向的位移,具体 操作过程为：create boundaiy condition-types for selected step 选为 displacem -ent /rotation-continue-select a region from the dialog 选择 select ill viewport -select regions for the boundaiy condition 选择 individu

51、ally框选整个股骨模型-done-edit boundaiy condition 选择 U1,U2,UR1 ,UR2,UR3-ok图3-io约束所有节点沿其它方向的位移对大鼠股骨模型施加压缩应力,具体操作为：create load-name为load-1,step 设为 step-1,types for selected step:pressure-continue-selecte surfaces for the load-done-大小设为7.图3-11施加压缩戦荷8捉交工作,进行受力分析.具体的操作过程是：job-create job-continue-ok-job manager-s

52、ubniit,等到下面框中显示成功时,便可以查看结果了.从位移图可以得到 所需的数据.Avg： 75% |十2 43曲初142.229S401 t2.0266tOl 41.924«401 1.621Q401 *1.41GQ401 41.216C-»O1 41.01401 *8.10Sa*0DM 07D0 44,D53e40a 02D04 1.76-fe-XZAL.003ep： Step-1 CferrritVar： .图3-13大鼠股骨位移图DofoffnatuCOBOdD Ati3Qj$/S(e»ndd»d 6.12-1 Fn .y 27 13 0?:

53、04 GMT*06 OO 2021I". 6 3S-O? *4.2500D3 43 064e-O3* 3.4X70-03 t3.09L8-(n 42. rose D3 *231阳03 1.932c D3 11.5*56 03 *1.15S»e-B3 4T.727Q-D4 O 064e-cw 40.00DQ-40D第2节 用材料力学公式计算大鼠股骨抗压刚度在工程实践中,经常用到受拉或受压的的构件,工作时以拉伸和压缩变形为 主.在压缩试验中可以获得线应变和截面面积,从而计算模型或构件的抗弯刚度. 构件在外力作用下尺寸和形状都会发生改变,称之为变形.构件在变形的同时, 其上的点,

54、面相对于初始位置也要发生变化,这种位置的变化就是位移.为了研 究构件截面上内力分布规律,就必须对构件内任一点处的变形作深入研究.为此, 设想把构件分割成无数微小的正六面体,此微小的正六面体在各边缩小为无穷小 时,称为单元体.构件变形后,其任意单元棱边的长度及梁棱边间夹角都将发生 变化,把这些变形后的单元体组合起来,就形成变形后的构件形状,反映出构件 的整体变形.从构件的某一点的周圉I取出单元体,与x轴平行的棱边ab的长度 变化称为绝对变形,其比值表示每单位长度的平均伸长,称为平均线应变或相对 变形.当分母趋近于零时,即为沿X方向的线应变.它表示一点处沿某一方向长 度改变的程度.依据材料力学,弹

55、性模量E的计算公式是：/b8 = , E =I£将大鼠股骨模型的横截面拟合成椭圆环,于是可得面积计算公式：A = 7tBD-7ibd其中B,D为外圈椭圆环的长短轴,b,d为内圈椭圆环的长短轴.1.各个大鼠股骨的有限元分析结果如下：rr -*4 636-03 -*4.25DaD3 4 1964e-03 *3.4T7g D3 t) 09Le-G342.70SC D3 t2.318e Ct3 4 1.932c D3 tl.545e-ro *1.159e-CQ 4T.727C D4 43.964-04 4O.0aDO4OD图3-14 3月龄编号1大鼠位移图1.003rr応$任03 kJ -*5.081a-D3 44 6199-03 -*4.1570-03 -*3 695-9-G3 4 3.Z33C-D3 f2.77ie-CG 42.309e-D3 tl.84ee-Q3 4i.39&e-WaL 49.23B3-D4"619-0440.0aDQ400CO