人体损伤生物力学实验指导书.docx

人体损伤生物力学实验指导书湖南大学机械与运载工程学院实验一 冲击力模拟实验一、实验目的和任务通过开展冲击力仿真实验，学习基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法，具体包括：1. 对HYPERMESH和HYPERVIEW（或LS-PREPOST）等前后处理软件的使用；2. 掌握保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题；3. 掌握模型调试方法；4. 体会不同材料、高度、速度对冲击力的影响。二、实验仪器和设备软件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：计算机。三、实验步骤1、模型提交计算与后处理1) 根据提供的初始模型，对文件进行求解计算。2) 查看完成计算所需的时间，ctrl+C，sw2。3) 查看仿真动画。4) 分析该K文件的单位制（mm，ms，kg，kN，GPa）。2、有限元模型的质量缩放与能量问题1) 设置输出各种能量，*CONTROL_ENERGY。2) 为提高计算效率，增加质量缩放，*CONTROL_TIMESTEP，DT2MS：-1.112E-06改为-1.112E-03，再改为-1.112E-02，并分别查看并记录所需计算时间，分析该参数对计算效率的影响。讨论如何设置DT2MS的值。3) 查看计算获得的message文件，记录不同DT2MS设置下的质量缩放所引起的质量增加量及百分比。4) 输出总能量、动能、内能和沙漏能（DT2MS：-1.112E-06），根据曲线分析能量转换。3、输出并分析橡胶垫的冲击力1) 查阅橡胶的材料。2) 查阅车架、撑板、销轴和冲击头的材料。3) 输出冲击头处的冲击力，Contact_mass（CID：1）。4) 输出两根连接销轴的四处接触力，Contact_chejia_zhou_L（CID:3）、Contact_chejia_zhou_R（CID:4）、Contact_chengban_zhou_L（CID:5）/ Contact_chengban_zhou_R（CID:6）。5) 找出系统的最大应力及其出现的位置。4、下落高度对冲击力的影响1) 修改冲击头距离橡胶垫的高度，初始值为5mm，分别修改为2mm、10mm和15mm。2) 计算不同高度下落对冲击力的影响。3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。5、输出并分析金属的冲击力1) 将橡胶垫的材料改为金属材料，可选用钢（206GPa）、铜（121GPa）铝（72GPa），使用MAT1进行定义。2) 不采用质量缩放，分别计算冲击力（CID：1），对比上述材料与橡胶材料对冲击力的影响。3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。6、定义冲击头的速度（附加题）1) 上述仿真分析采用的是自由落体，现将冲击头距离橡胶垫的距离调为1mm，设定冲击头的初速度，分别为0.01m/s，0.1m/s和1m/s（取消重力加速度）。2) 分析不同初速度对冲击力的影响。3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。四、实验报告的基本内容和要求1、实验设备和条件2、实验内容3、实验过程4、实验数据（对于冲击力，需要给出曲线并分析对比最大力；能量曲线等）5、实验结果分析及结论实验二 成人头锤冲击实验一、实验目的和任务通过开展成人头锤冲击仿真实验，继续学习基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法，并掌握行人头锤仿真方法，具体包括：1. 对HYPERMESH和HYPERVIEW（或LS-PREPOST）等前后处理软件的使用；2. 熟悉保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题；3. 熟悉模型调试方法；4. 掌握行人头锤有限元模型及其使用方法。二、实验仪器和设备软件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：计算机、优盘。三、实验步骤1、模型提交计算与后处理1) 根据提供的初始模型，对文件进行求解计算。2) 查看完成计算所需的时间，ctrl+C，sw2。3) 查看仿真动画。4) 分析该K文件的单位制（mm，T，s，N，MPa）。2、掌握行人头锤有限元模型的结构3、有限元模型的质量缩放与能量问题1) 设置输出各种能量，*CONTROL_ENERGY。2) 为提高计算效率，设置合理的质量缩放参数，并分别查看并记录所需计算时间，保证质量增加不超过模型物理质量的5%。3) 选定合理的质量缩放参数后，计算模型并输出总能量、动能、内能和沙漏能，根据曲线分析能量转换。4、输出并分析头锤的冲击力1) 查阅平板的材料。2) 查阅头锤橡胶的材料。3) 输出头锤的冲击力，SlaveContact_Hood。4) 对冲击力进行滤波。5、输出并分析头锤质心的合成位移、速度和加速度1) 打开计算得到的nodout文件，按照要求输出各条曲线。2) 分析各条曲线。6、改变Hood板的角度分析合成冲击力和加速度1) 在Hypermesh中修改Hood板的角度。2) 输出合成冲击力和合成加速度，并与原结果进行对比。7、头锤自由落体改为定义初速度（附加题）1) 删除原文件的定义的重力加速度。2) 调整头锤和Hood板的距离，使两者仅留有很小的间隙。3) 对头锤定义面向Hood板冲击的初速度9.7m/s。4) 输出冲击力和头锤质心的合成加速度。5) 计算头锤的HIC值（要求曲线横坐标单位为s，纵坐标单位为g）四、实验报告的基本内容和要求1、实验设备和条件2、实验内容3、实验过程4、实验数据5、实验结果分析及结论实验三 成人胫骨有限元模型验证实验一、实验目的和任务通过开展有限元模型的验证实验，继续学习LS-DYNA的使用，掌握有限元模型验证的基本方法。二、实验仪器和设备软件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：计算机、优盘。三、实验步骤1、动态验证所依据的试验Kerrigan et al（2003）的生物力学实验对人体胫骨进行了动态三点弯曲试验。该生物力学实验不仅进行了胫骨中部的冲击实验，还进行了胫骨近心端和远心端1/3处的冲击实验。首先将胫骨的两端装入金属方盒中，并用刚性聚亚安酯泡沫将长骨塞实，胫骨每端的塞入长度约为7.3cm。胫骨的外侧朝上，内侧朝下。每个金属方盒下方固结一个弧形金属板，将其放置在金属平板上，并在平板与弧形板间涂润滑油，以降低弯曲过程中由两端的接触力所产生的弯矩阻力，最大限度地降低边界条件对长骨的生物力学响应的影响。在冲击块和支撑板处分别设置一个力传感器，测量实验过程中的冲击力和长骨两端的支撑力。冲击块的宽度为12.7mm，其前端圆柱直径为12.7mm。为减小碰撞位置的应力集中，在胫骨的弯曲试验中，冲击块前端包裹了一层厚25mm的ConforTM泡沫。在试验时，首先将冲击块缓慢接触到胫骨外侧面，并保证有一个很小的初始接触力，然后将冲击块在15mm的距离内加速到1.21.5m/s，此后以恒定的速度对胫骨加载。胫骨实验中冲击块的速度约为1.45m/s。 2、胫骨验证有限元模型该模型模拟胫骨中部从外侧向内侧的撞击，整个有限元模型如上图所示，已经包含了生物力学实验中的主要部件。金属方盒、弧形板和支撑平板均定义为刚体，冲击块也定义为刚体。实验中填充在金属方盒中的聚亚安酯泡沫的密度与金属盒、弧形板等相比小很对，仿真中忽略其质量和惯性的影响，并将长骨与金属盒的连接定义为刚性连接（*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET）。在胫骨验证中使用的ConforTM泡沫材料的特性参照文献Darvish et al（1999）建立。在仿真中，通过长骨与冲击块的初始渗透模拟实验中的初始接触力，从而消除仿真过程中由于突然冲击而引起的长骨的振动。由于在胫骨仿真验证中使用了泡沫，仿真中接触力曲线存在较大波动，文中采用SAE J211/1 100Hz对冲击力进行滤波。3、实验要求通过调整胫骨干材料的参数，使得仿真中输出的加载力-冲击头位移曲线与生物力学实验的数据尽可能吻合（注意单位制）。可以与其中任意一条实验曲线接近。加载力通过接触输出，CID：25。冲击头位移由节点NID：9004263输出。可以由这两条曲线在HyperView中得到力-位移曲线。生物力学实验获得的力-位移曲线如下图所示（黑色曲线是调的比较理想的一条仿真曲线）。请修改胫骨干材料的参数，使得计算得到的力-位移曲线与生物力学试验的数据尽可能吻合。胫骨干材料的MID：13360001，材料类型为分段线性弹塑性，*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。需要参照LS-DYNA的关键字手册，对该材料卡片中的弹性模量E、屈服极限SIGY、切线模量ETAN、有效塑性应变FAIL进行修改。模型已经设置了初始值，但结果并不理想。请参照下表设置相关参数。生物力学试验曲线的数据已经数字化，分别为文件：Tibia_DY_Mid1.dat、Tibia_DY_Mid2.dat和Tibia_DY_Mid3.dat。骨骼密度（kg/m3）泊松比弹性模量（GPa）屈服应力（MPa）极限应变（%）参考文献股骨皮质骨1900-17.0-Schuster et al（2000）79其他皮质骨1900-18.0-松质骨1900-0.3-股骨皮质骨20000.313.51151.7Untaroiu et al（2005）92胫骨腓骨皮质骨20000.317.51251.6股骨头松质骨11000.30.99.313.4股骨上端松质骨11000.30.6166.613.4股骨下端松质骨11000.30.2985.613.4胫骨腓骨松质骨11000.30.4455.313.4股骨皮质骨20000.317.3110-Snedeker et al（2003）181股骨松质骨10000.3-1.47-股骨头皮质骨20000.317.9100-Kim et al（2005）189股骨骨节皮质骨18000.317.9100-股骨干皮质骨18000.317.9100-髌骨皮质骨15000.312.0100-股骨头松质骨15000.30.2510-股骨骨节松质骨15000.30.2510-髌骨松质骨15000.30.2510-股骨皮质骨18500.31514.317114.12.0Takahashi et al（2000）90胫骨皮质骨18500.31520.003129.01.5松质骨6000.3150.2953.713.4股骨头松质骨6000.3150.7929.113.4股骨胫骨体皮质骨1800-21000.316-17.51203Beillas et al（2001