开题报告-腿长骨拉伸扭转组合实验仪设计.doc

吉 林 大 学机械科学与工程学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目： 腿长骨拉伸扭转组合实验仪 学生姓名：学 号：班 级：411111班专 业：机械工程及自动化指导教师：一、课题介绍（一）课题名称：腿长骨拉伸扭转组合实验仪 （二）课题背景1.长骨简介：长骨主要存在于四肢，呈长管状，也称为管状骨。可分为一体两端。体又叫骨干，其外周部骨质致密，中央为容纳骨髓的骨髓腔。两端较膨大，称为骺。骺的表面有关节软骨附着，形成关节面，与相邻骨的关节面构成运动灵活的关节，以完成较大范围的运动。2.腿长骨分类：人体的腿长骨一般分为股骨、胫骨和腓骨。1）股骨股骨是最典型的腿长骨，是人体最大和最粗壮的长管状骨。其上端朝向内上方，其末端膨大呈球形，与髋臼相关节。头的中央稍下方，有一小凹，叫做股骨头凹，为股骨头韧带的附着处。头的外下方较细的部分称股骨颈。颈与体的夹角称颈干角，男性平均132，女性平均127。颈体交界处的外侧，有一向上的隆起，叫做大转子，其内下方较小的隆起叫做小转子。大转子的内侧面有一凹陷称为转子窝（又叫梨状窝）。大、小转子间，前有转子间线，后有转子间嵴相连。 两者之间称股骨粗隆间，是骨折多发处。2）胫骨胫骨，位于小腿内侧，是小腿上的两块长骨之一。胫骨的大小居人体第二位，仅次于股骨。胫骨对支持人体体重起重要作用。 胫骨上端膨大，与股骨下端以及髌骨共同构成膝关节。胫骨内侧面无肌肉覆盖，外侧面附着小腿骨间膜。3）腓骨腓骨是人和脊椎动物（四足类）小腿上的两块长骨之一，位于小腿外侧，较细；某些动物（如蛙和蟾蜍等）腓骨与其内侧的胫骨愈合成胫腓骨。 腓骨比胫骨细；腓骨上端称作腓骨小头，可以从皮肤外表面触及到；上端仅与胫骨相连接，不参与膝关节的组成；腓骨体细长，附着骨间膜；腓骨下端形成的突起为外踝；腓骨下端、胫骨下端及距骨构成踝关节。3.腿长骨拉伸扭转试验的必要性：腿长骨的健康在支撑人体和人的行动过程中具有决定性意义，因此对腿长骨进行测试实验，了解有关腿长骨的力学和生物学方面的相关参数和性质就显得尤为重要。而在日常生活中，经常会发生因为各种意外事故（如车祸等）而导致的腿骨骨折，对人的生活和人身安全造成巨大的危害。例如世界卫生组织2013年的数据显示，全球每年约有124万人死于交通事故,2000-5000万人遭受非致命伤害1。根据NASS（National Automotive Sampling System）的统计数据，下肢在道路交通安全事故人体8个损伤部位（头部、面部、颈部、胸部、副部、脊柱、下肢、上肢）中仅次于头部而居第二位。在汽车发生碰撞的交通事故中，对于行人来说，通常是下肢最先与汽车接触；而对于事故中的汽车乘员来说，由于碰撞极易产生车体的挤压变形，而乘员所处的乘坐空间较为狭小，容易导致腿部被卡住造成对腿骨的拉伸和扭转，因此下肢是最易发生损伤的部位，长骨骨折是下肢的主要损伤形式。为了有效地降低事故中对腿骨的伤害，并加快腿骨骨折的恢复过程，对事故中腿骨的破坏机理、不同事故状态下腿骨所能承受的最大冲击的研究就显示出了重要的现实意义。同时，医学上对于骨质疏松等疾病的研究、治疗、预防等临床需要也需要明确骨骼的力学性能。因此本次设计的目的就是测试腿长骨在拉伸和扭转两种状态下的力学性能和强度极限，记录并分析相关参数。2、 国内外研究现状为了有效地设计腿长骨拉伸扭转组合实验仪，必须对国内外对于腿长骨力学性能的研究以及拉伸实验机的设计及改进做进一步的分析总结。国内外很多学者对腿长骨的相关力学性能、力学测试实验方案以及建模分析做了深入的研究，取得了丰硕的成果。在腿长骨研究模型选择方面，杜现平，曹立波，张冠军，张恺2对比分析了志愿者试验、动物实验、尸体试验、数学模型等研究手段，指出了物理模型不能模拟真实的损伤和人体结构，志愿者试验只能在较低强度下进行，不能获得人体损伤的极限数据，动物实验很难将结果通过特定关系应用于人体，尸体试验存在组织反应与活体有差异等局限性。在腿长骨的有限元模型建立和仿真分析方面，张冠军、曹立波、官凤娇和孙光勇3分析了早期应用于乘员安全研究的人体下肢长骨有限元模型（如Bedewi, Beaugonin等开发的有限元模型），指出了该种模型采用壳单元模拟并定义为刚体，无法模拟骨折，亦不能反映其应力和应变这一缺陷。然后基于THUMS（total human model for safety）下肢长骨有限元模型，在材料和单元属性等方面进行了改进，确定了新的材料参数。在详细分析了下肢长骨载荷特点的基础上，采用多种不同载荷工况下较新的生物力学实验数据，对长骨模型进行验证。验证结果表明，该模型具有较好的生物逼真度，可用于后续模型的开发。 图1.下肢长骨有限元模型对于类似的拉伸模型的数值模拟方面，天津理工大学的李雪4在测定关节软骨的力学性质的研究过程中，通过对关节软骨进行压缩实验，测定关节软骨不同层区的位移，根据位移的特点确定了软骨不同层区的尺寸，然后设计了相应的拉伸模型，才有直接粘接和嵌入粘接两种形式对不同层区的软骨拉伸试验过程进行了数值模拟，之后对照实际实验结果，对数值仿真结果进行了一些修改，使数值仿真结果基本符合实际实验结果。对于实际拉伸扭转实验中腿长骨的装夹固定问题，针对腿长骨两端形状不规则的实际情况，赵宝林，陈鹏和马洪顺5以及河北医科大学的郝占元6都采用了将长骨试样两端置入相应的模具内，向模具内浇注稀释的医用牙托粉，然后等待牙托粉凝固，使试样两端用牙托粉固定待用。此种方法利用了牙托粉热固性好，易于成型且坚硬的特点，有效解决了长骨两端不是规则回转体的问题，为简化夹具的设计奠定了基础。另外，针对拉伸扭转组合实验仪的设计，张宇翔，胡春玲，刘志山，邢庆敏，王暖春和庄树明7介绍了卧式扭转试验机和立式扭转试验机的特点和区别，指出了传统卧式扭转试验机安装不方便，占地面积大等缺点，应针对载荷不同选取卧式和立式安装方法，简化安装过程，减小占地面积。同时，王永贤8介绍了对普通拉伸试验机进行系统改进使其可以进行扭转试验的方法。三、课题研究重点和难点（一）研究重点 针对骨质疏松等疾病的治疗、预防研究、意外事故（尤其是交通事故）中腿骨损伤机理分析和修复的临床需求等急迫的需求准确的人体腿长骨的生物力学性能参数。而相对于一般的材料力学测试实验中的金属试件，此次设计研究的样本为腿骨，并不是规则的回转体试件，试件两端需采用牙托粉固定，同时夹具需进行特殊设计。 腿骨轴向方向上直径不规则变化，同时存在偏心距，回转中心不能与腿骨轴线方向保持重合，因此数据采集点的选取与传统的材料力学实验有区别。腿长骨的力学性能与年龄、种族、性别、是否有病变等因素有关，因此在实验过程中，要选取多组不同的样本进行测试，得出各自的力学参数。（二）研究难点腿长骨相对于一般的材料力学实验试件，存在生理活性因素的影响。在实验中所选取的试件来自于尸体，其生理活性与活体组织存在一定的差异，如何在实验数据分析处理过程中修正这一差异是本次设计的一大难点。另外，有限元模型的建立和仿真对本次设计实验有很大的辅助作用，需要重点学习和研究。四、工作任务（一）工作内容1.外语学术论文翻译，不少于5000字；2.撰写设计任务书，写作开题报告；3.进行相关实践、设计，得到能够有效测试腿长骨相关力学参数的拉伸扭转组合试验机，完成一张A0装配草图，三张A0装配图；4.编写设计说明说书。（二）工作计划2014/11/01-2015/01/15 查阅文献、开题报告2015/02/21-2015/03/13 译文（5000字）、熟悉题目、收集资料2015/03/15-2015/03/25 确定总体研究内容与工作方案2015/03/26-2015/04/30 确定各部分参数，建立物理模型2015/05/01-2015/05/30 绘制CAD图纸2015/05/31-2015/06/10 撰写说明书2015/06/11- 准备答辩，答辩五、参考文献1 BURTON A，HARVEY A，BLAKEMAN D，et al. Global Status Report on Road Safety 2013；Supporting A Decade of ActionR. Geneva, Switzerland：World Health Organization （WHO）2 杜现平，曹立波，张冠军，张恺，2014年7月 汽车工程学报 第4卷,第4期,人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展.3 张冠军，曹立波，官凤娇，孙光勇，2011年9月，力学学报 第43卷，第5期，基于汽车与行人碰撞载荷点的下肢长骨建模.4 李雪，2014 天津理工大学硕士毕业论文，关于软骨力学性质的数值模拟及实验研究5 赵宝林，陈鹏，马洪顺， 2009 中国老年学杂志，第3期，雌激素干预对老年骨质疏松