力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析

1、本科生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)中文題目基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析英文題目Finite element analysis of rat tibia onmicroCT imaging學(xué)生姓名 XX 班級(jí)XX 學(xué)號(hào)X學(xué)院機(jī)械學(xué)院專業(yè)工程力學(xué)指導(dǎo)教師 XX 職稱 教授目錄目錄中文摘要IabstractII第1章緒論1第1節(jié)選題理論1第2節(jié) 研究背景及現(xiàn)狀2第3節(jié)研究方法4第2章大鼠股骨模型的建立和修復(fù)5第1節(jié)用mimics建立大鼠股骨模型的三維模型52. 1. lmimics 軟件簡(jiǎn)介52. 1. 2用mimics軟件建模5第2節(jié)用magics對(duì)模型修復(fù)和網(wǎng)格劃分10第3章軸向壓縮試驗(yàn)?zāi)M和股

2、骨抗壓剛度的計(jì)算19第1節(jié)用abaqus模擬大鼠股骨的軸向壓縮試驗(yàn)19第2節(jié) 用材料力學(xué)公式計(jì)算大鼠股骨抗壓剛度26第4章結(jié)論與展望33第1節(jié)工作結(jié)論33第2節(jié)工作展望34參考文獻(xiàn)37摘要中文摘要這篇論文一一基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析是通過abaqus軟件模 擬大鼠股骨的軸向壓縮試驗(yàn),山此獲得計(jì)算大鼠股骨抗彎剛度所需的彈性模量和 橫截面面積.將這些參數(shù)代入材料力學(xué)中的公式求得抗壓剛度EA.并在此過程中 熟練掌握mimics, magics, abaqus軟件的使用.論文的研究方法是：首先通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)獲得所研究大鼠股骨的 micro-CT影像.然后將影像導(dǎo)入mimi

3、cs軟件建成三維實(shí)體模型并保存成stl文件 格式,再將三維模型導(dǎo)入magics軟件進(jìn)行修復(fù)和網(wǎng)格的劃分修復(fù).再將模型導(dǎo)入 abaqus軟件,施加壓縮載荷和邊界條件,進(jìn)行受力分析,得到線應(yīng)變等.最后運(yùn) 用材料力學(xué)公式求出抗彎剛度.與電子萬能試驗(yàn)機(jī)做的壓縮試驗(yàn)不同,本研究是通過有限元分析軟件對(duì)股骨模 型壓縮工況下的受力進(jìn)行仿真模擬,從而得到所需的汁算參數(shù).相較于實(shí)際操作 的壓縮試驗(yàn),這個(gè)研究方法更加簡(jiǎn)便快捷.通過有限元分析和帶入公式計(jì)算可得所研究的大鼠股骨抗壓剛度EA.關(guān)鍵詞mimics magics 壓縮有限元分析剛度吉林大學(xué)木科畢業(yè)論文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緒論第1章緒論第1節(jié)選題理論本研究基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析,研究過程所用到的技術(shù), 軟件及理論等有：micro-CT影像技術(shù),mimics建模軟件,magics修復(fù)軟件,abaqus 有限元分析軟件,壓縮試驗(yàn)以及材料力學(xué)的抗壓剛度計(jì)算公式.micro-CT影像技術(shù)即微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)是一種掃描成像的技術(shù),它跟普 通的CT不一樣,用的是微焦點(diǎn)X線球管,對(duì)象是活體生

9、物和各種組織.它可以得 到樣本內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和特征而不會(huì)破壞樣本本身,是非破壞性的,并且它的空間分 辨率高.Mimics是一套高度整合,比擬容易使用的三維模型生成和編輯的軟件,它能 夠支持各種各樣的掃描信息,建立三維模型進(jìn)行編輯.Magics軟件可以導(dǎo)入stl文件格式的三維模型,并對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)和網(wǎng)格劃 分.Magicsl3. 0軟件是一個(gè)具有模型導(dǎo)入修復(fù)和網(wǎng)格劃分等的功能的軟件,它能 導(dǎo)入stl文件格式的模型,然后利用工具欄中的fix wizard功能對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)的 修復(fù).它可以修復(fù)的功能包括 noimals, stitcliing, noise shells, holes, triangle

10、, shells 等類別.Magics 13. 0還具有remesh的網(wǎng)格劃分功能,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)后能自動(dòng)生 成網(wǎng)格,其生成的面網(wǎng)格需再導(dǎo)入abaqus轉(zhuǎn)化為體網(wǎng)格,才能進(jìn)行后續(xù)的分析. 劃分完網(wǎng)格之后,對(duì)于網(wǎng)格存在的自交義單元,破小單元等可以標(biāo)記出來.再次 用fix wizard功能進(jìn)行修復(fù).對(duì)于模型存在錯(cuò)位的問題,magics還有smoothing的 功能來進(jìn)行修復(fù).Abaqus軟件是一個(gè)有限元的分析軟件,它可以模擬工程實(shí)踐中的各種力學(xué)問 題來進(jìn)行分析,它能夠解決各種線性和非線性的問題.Abaqus軟件分析模擬的過 程是：1前處理,即工程實(shí)例模型的建立,可以用到的前處理軟件包括catia,

11、 噸等建模軟件.2有限元分析,在這局部主要是對(duì)模型賦予材料屬性,設(shè)定模 型的受力和邊界條件,提交工作進(jìn)行分析.3后處理,這局部是對(duì)分析的結(jié)果 等進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算.在工程實(shí)踐中,經(jīng)常用到受拉或受壓的的構(gòu)件,工作時(shí)以拉伸和壓縮變形為 主.在圧縮試驗(yàn)中可以獲得線應(yīng)變和截面面積,從而計(jì)算模型或構(gòu)件的抗彎剛度. 構(gòu)件在外力作用下尺寸和形狀都會(huì)發(fā)生改變,稱之為變形.構(gòu)件在變形的同時(shí), 其上的點(diǎn),面相對(duì)于初始位置也要發(fā)生變化,這種位置的變化就是位移.為了研 究構(gòu)件截面上內(nèi)力分布規(guī)律,就必須對(duì)構(gòu)件內(nèi)任一點(diǎn)處的變形作深入研究.為此, 設(shè)想把構(gòu)件分割成無數(shù)微小的正六面體,此微小的正六面體在各邊縮小為無窮小 時(shí),稱為

12、單元體.構(gòu)件變形后,其任意單元棱邊的長(zhǎng)度及梁棱邊間夾角都將發(fā)生 變化,把這些變形后的單元體組合起來,就形成變形后的構(gòu)件形狀,反映出構(gòu)件 的整體變形.從構(gòu)件的某一點(diǎn)的周圍I取出單元體,與x軸平行的棱邊此的長(zhǎng)度 變化稱為絕對(duì)變形,其比值表示每單位長(zhǎng)度的平均伸長(zhǎng),稱為平均線應(yīng)變或相對(duì) 變形.當(dāng)分母趨近于零時(shí),即為沿X方向的線應(yīng)變.它表示一點(diǎn)處沿某一方向長(zhǎng) 度改變的程度.依據(jù)材料力學(xué),彈性模量E的計(jì)算公式是：£斗 E =- 將I£ c3大鼠股骨模型的橫截面擬合成橢圓環(huán),于是可得面積計(jì)算公式：A = BD-Mo其中B, D為外圈橢圓環(huán)的長(zhǎng)短軸,b, d為內(nèi)圈橢圓環(huán)的長(zhǎng)短軸.第2節(jié)研究

13、背景及現(xiàn)狀本論文的研究附屬于生物力學(xué)范疇.生物力學(xué)顧名思義.它的研究對(duì)象是生物 體,運(yùn)用的方法是力學(xué)原理,研究的問題是生物受力的定向研究.它所研究的內(nèi) 容包括了整個(gè)生物整體,生物的系統(tǒng),器官,血液,體液,骨骼等.生物力學(xué)的 研究依賴于能量守恒定律,動(dòng)量定律和質(zhì)量守恒定律以及描寫物性的本構(gòu)方程. 生物力學(xué)的研究重點(diǎn)在于生理學(xué)和醫(yī)學(xué)中有關(guān)受力的問題.根據(jù)所研究的對(duì)象可 以分成生物流體力學(xué),生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).而對(duì)大鼠股骨的研究那么屬 于生物力學(xué)中的生物固體力學(xué)沁.它用到的方法和理論包括材料力學(xué),彈塑性理 論,斷裂力學(xué),探究的是生物體的組織和器官中的力學(xué)問題.在近似的分析中, 人或動(dòng)物的骨頭

14、在壓縮,拉伸,斷裂的強(qiáng)度理論和狀態(tài)參數(shù)都能夠用到材料力學(xué) 的標(biāo)準(zhǔn)公式來計(jì)算.但是,骨頭無論是形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上都是各向異性的X.中國(guó)在生物力學(xué)的研究在很大程度上是與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的,所以在骨骼力 學(xué),脈搏波,無損檢測(cè),推拿,生物軟組織等項(xiàng)口中已形成自己的特色.進(jìn)行生 物力學(xué)的研究第一步是要了解生物材料的兒何特點(diǎn),然后通過測(cè)定材料的力學(xué)性 質(zhì)進(jìn)而確定出相關(guān)的本構(gòu)方程和邊界條件,最后求解凹.對(duì)于上面得到的關(guān)于邊 界條件的解還要用到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來測(cè)試驗(yàn)證.其至有時(shí)還要另外建立數(shù)學(xué)模型來 求解,證實(shí)理論與實(shí)驗(yàn)是一致的.另外用作實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物材料還有在體和離體 兩種狀態(tài).在體生物材料一般處于受力狀態(tài),一旦

15、游離出來,那么處于自由狀態(tài). 兩種狀態(tài)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大加:.微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)是釆用了與普通臨床CT不同的微焦點(diǎn)X線球管,對(duì)活 體小動(dòng)物或多種硬組織和相關(guān)軟組織進(jìn)行掃描成像分析的技術(shù).該技術(shù)是一種非 破壞性的3D成像技術(shù),可以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu). 它與普通臨床的CT最大的區(qū)別在于分辨率極高,可以到達(dá)微米級(jí)別.Micro-CT 可用于醫(yī)學(xué),藥學(xué),生物,考古,材料,電子,地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域的研究.生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等地根本理論與方法,研究生物固 體組織與生物器官中和它類似的力學(xué)問題.在分析中,動(dòng)物骨頭的拉伸、壓縮、 斷裂的強(qiáng)度大小和狀態(tài)參數(shù)都可利用材

16、料力學(xué)中的公式3.但是,不管在形態(tài)上 還是力學(xué)性質(zhì)上,骨頭都有各向異性.20世紀(jì)70年代以來,對(duì)與骨骼地力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)有過很多理論和實(shí)踐研究,例 如如組合桿假設(shè)、二相假設(shè)等等,斷裂力學(xué)、有限元、應(yīng)力套方法和先測(cè)彈力法 等檢測(cè)方法都已經(jīng)應(yīng)用在骨骼力學(xué)研究.骨骼是一種復(fù)合材料,它的強(qiáng)度不僅與 骨的構(gòu)造有關(guān),也和材料本身有關(guān).骨骼是骨膠原纖維與無機(jī)晶體地復(fù)合物,骨 板是山縱向纖維與環(huán)向纖維構(gòu)成的,骨骼中地?zé)o機(jī)晶體可以大大的提升骨強(qiáng)度. 表達(dá)了骨用最少的結(jié)構(gòu)材料來承受住最大外力地功能.植物與昆蟲表皮都是纖維嵌入到其他材料中所構(gòu)造成的復(fù)合型材料,它和山 很細(xì)的玻璃纖維鑲嵌在合成樹脂中構(gòu)成地玻璃鋼地力學(xué)性質(zhì)

17、相似.動(dòng)物和植物是 山糖、蛋口質(zhì)類、脂類等構(gòu)造成的高聚物,應(yīng)用橡膠與塑料的高聚物理論可求出 出蛋口質(zhì)與糖的力學(xué)性質(zhì).粘彈性和彈性形變、彈性模量等知識(shí)不只可以用于山 氨基酸組成地蛋白質(zhì),也可以用來分析相關(guān)細(xì)胞地力學(xué)性質(zhì).例如細(xì)胞分裂時(shí)的 微絲作用力,肌絲地工作方式與工作原理以及細(xì)胞膜地力學(xué)性質(zhì)等等.緒論生物力學(xué)工程有很多人在研究股骨方面做了突出奉獻(xiàn).股骨是最具有代表性 的,它是人體內(nèi)最大最粗的長(zhǎng)骨,股骨的研究,使人體骨骼在力學(xué)分析中具有更 加重要的意義,同時(shí)也需要在力學(xué)方面進(jìn)行深入的研究.股骨近端處于一個(gè)特殊 的、復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中,它的解剖結(jié)構(gòu)也與之相照應(yīng).在以往的理論中,骨大體 分為三種材料：

18、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨髓,這樣的話構(gòu)建模骨模型就存在著許多問 題,不僅需要確定這三種材料的解剖而,在網(wǎng)格規(guī)劃方面也會(huì)消耗大量的時(shí)間,還不能十 分精準(zhǔn)的反映岀秤骼的力學(xué)特征.因此,一般情況下,整個(gè)骨的強(qiáng)度特性可以由內(nèi)部骨組織的分布和屬性 和外部骨骼外貌兩大因素所決定.因此可以利用ImageJ軟件,將不同月齡 的大鼠股骨CT影像導(dǎo)入其中,分析出其皮質(zhì)骨截面面積和最小慣性矩,分析其內(nèi) 部骨質(zhì)密度,從而分析出不同月齡大鼠骨骼的差異,也可以分析出骨骼更加脆弱 的部位是哪里.利用Mimics軟件建立3D模型,可以從外部因素分析骨骼,查看 不同骨骼形狀利用力學(xué)分析其承受水平的性能可以將不同形狀的骨骼定義為同 種

19、材料.從結(jié)論中分析出的資料有利于人們進(jìn)行骨骼保護(hù),對(duì)自身的平安性有 較大的提升.生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等地根本理論與方法,研究生物固 體組織與生物器官中和它類似的力學(xué)問題.在分析中,動(dòng)物骨頭的拉伸、壓縮、 斷裂的強(qiáng)度大小和狀態(tài)參數(shù)都可利用材料力學(xué)中的公式.但是,不管在形態(tài)上還 是力學(xué)性質(zhì)上,骨頭都有各向異性.20世紀(jì)70年代以來,對(duì)與骨骼地力學(xué)性質(zhì)已 經(jīng)有過很多理論和實(shí)踐研究,例如如組合桿假設(shè)、二相假設(shè)等等,斷裂力學(xué)、有 限元、應(yīng)力套方法和先測(cè)彈力法等檢測(cè)方法都已經(jīng)應(yīng)用在骨骼力學(xué)研究.骨骼是 一種復(fù)合材料,它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造有關(guān),也和材料本身有關(guān).骨骼是骨膠 原纖維與無機(jī)晶體

20、地復(fù)合物,骨板是山縱向纖維與環(huán)向纖維構(gòu)成的,骨骼中地?zé)o 機(jī)晶體可以大大的提升骨強(qiáng)度.表達(dá)了骨用最少的結(jié)構(gòu)材料來承受住最大外力地 功能.植物與昆蟲表皮都是纖維嵌入到其他材料中所構(gòu)造成的復(fù)合型材料,它和由很細(xì)的玻 璃纖維鑲嵌在合成樹脂中構(gòu)成地玻璃鋼地力學(xué)性質(zhì)相似.動(dòng)物和植物是由糖、蛋白質(zhì)類、脂 類等構(gòu)造成的髙聚物,應(yīng)用橡膠與塑料的髙聚物理論可求出出蛋白質(zhì)與糖的力學(xué)性質(zhì).粘彈 性和彈性形變、彈性模量等知識(shí)不只可以用于由氨基酸組成地蛋白質(zhì),也可以用來分析相關(guān) 細(xì)胞地力學(xué)性質(zhì).例如細(xì)胞分裂時(shí)的微線作用力,肌絲地工作方式與工作原理以及細(xì)胞膜地 力學(xué)性質(zhì)等等.人體中最大的骨頭是股骨,他是一種長(zhǎng)管狀的骨骼叭

21、對(duì)于股骨來 說,可以把他分成一個(gè)體但是兩個(gè)端面,下面的圖片是股骨的具體的模樣.股骨 頭在股骨的上端他的方向朝向內(nèi)上方他的形狀是球形,山于球形的原因他可以與 骯臼互相匹配.股骨頸在股骨頭的外下方,股骨頸相對(duì)于股骨頭比價(jià)細(xì).頸干角 是股骨干與股骨頸所形成的一個(gè)角度,頸干角是有一左的范囤的,它的范圍是110至140, 臉內(nèi)翻是小于最小值得稱呼,慨外翻是大于最大值得稱呼,但是男女角度平均值是不同的對(duì) 于女性來講,她們的角度平均為127,而男性那么到達(dá)了 132.大轉(zhuǎn)子是股秤中一個(gè)向上的凸起, 它的位巻在股件頸還有股計(jì)干交叉的地方的外側(cè),還有一個(gè)被稱為轉(zhuǎn)子窩的位苣,它在股骨 頸與股骨干交叉的內(nèi)側(cè).小轉(zhuǎn)子

22、也是一個(gè)凸起他在大轉(zhuǎn)子的下面,骨粗隆間是大轉(zhuǎn)子 小轉(zhuǎn)子兩者相互交義的位置.側(cè)礫與外側(cè)傑是兩個(gè)凸起,非常膨大,處于股骨的 下端.備面是一個(gè)非常光滑的截面,他在內(nèi)側(cè)傑與外側(cè)繰的下面與后面有關(guān)節(jié)面 與脛骨上端相關(guān)節(jié)的前面.內(nèi)上繰和外上髒是兩個(gè)隆起部位,非常粗糙,分別處 于內(nèi)側(cè)探的內(nèi)側(cè)面以及外側(cè)探的外側(cè)面.大鼠股骨?？盏慕⒑托迯?fù)第3節(jié)研究方法基于micro-CT影像的大鼠股骨有限元分析,整體研究思路和方法就是：利用 mimics建模軟件將獲得的大鼠股骨CT影像導(dǎo)入并建成三維模型.然后將模型保存 成stl文件格式導(dǎo)入magics軟件,利用fix wizard對(duì)模型進(jìn)行修復(fù),利用remesh 對(duì)模型進(jìn)行

23、面網(wǎng)格的劃分.重復(fù)標(biāo)記錯(cuò)誤單元并進(jìn)行修復(fù),以完善三維模型.隨 后將其保存成inp文件格式,導(dǎo)入abaqus軟件進(jìn)行有限元分析.先將面網(wǎng)格變成 體網(wǎng)格,再施加橫向壓縮載荷和邊界條件,對(duì)模型進(jìn)行有限元分析,得到線應(yīng)變. 再通過的模型的測(cè)量得到模型最大最小內(nèi)外徑.將所有參數(shù)帶入材料力學(xué)的抗壓 剛度計(jì)算公式即可求得所需結(jié)果.9第2章大鼠股骨模型的建立和修復(fù)第1節(jié)用mimics建立大鼠股骨模型的三維模型2.1.1mimics軟件簡(jiǎn)介Mimics軟件是一種醫(yī)學(xué)上的影像限制系統(tǒng),它是模塊化的結(jié)構(gòu)軟件.它有各種 各樣的圖片處理功能,包括導(dǎo)入,分割,可視化,配標(biāo),測(cè)量等.它有許多的模 塊,包括快速成型切片模塊,

24、MedCAD模塊,仿真模塊和STL+模塊.它可以輸入 各種的掃描數(shù)據(jù)來建立三維模型然后編輯,再輸出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),有限元分析, 快速成型的格式.Mimics還可以對(duì)模型劃分網(wǎng)格,從而提升處理速度.可以很容易的將不規(guī)那么 的三角片轉(zhuǎn)化為趨近等邊三角形.Mimics還具有材料分配的功能,在載入體網(wǎng)格 后,FEA功能就能夠依鼎掃描的數(shù)據(jù)圖像為網(wǎng)格每一個(gè)單元計(jì)算岀灰度值,再山不 同的灰度去定義對(duì)應(yīng)的材料.也可以根據(jù)密度,彈性模量,泊松比去定義材料. 分配了材料屬性的體網(wǎng)格模型可以保存成相應(yīng)的文件格式用于后續(xù)的有限元分 析.這里用到mimics軟件是為了重建大鼠股骨的三維模型,主要用到的是niiniic

25、s 軟件的圖像導(dǎo)入功能和三維重建功能.具體操作過程演示如下.2.1.2用mimics軟件建模1.取12只實(shí)驗(yàn)鼠,其中3月齡,9月齡,15月齡大鼠各四只.通過微計(jì)算機(jī)斷層 掃描技術(shù)獲得其在股骨micro-CT影像.下面是編號(hào)為1的實(shí)驗(yàn)鼠在3月齡時(shí)的部 分CT影像.說明：本論文都取編號(hào)為1的實(shí)驗(yàn)鼠在3月齡時(shí)的股骨CT影像的 建模,修復(fù),網(wǎng)格劃分,有限元分析作為操作說明,其余編號(hào)的試驗(yàn)鼠的建模, 網(wǎng)格劃分以及有限元分析的過程完全一致,修復(fù)上的差異會(huì)另外說明.因此只列 出最后的有限元分析結(jié)果r1Oo1 ooooIooOIooooooe>II M圖2-1大鼠CT影像2.翻開建模軟件mimicslO

26、. 01,導(dǎo)入大鼠股骨的micro-CT影像.由于所研究問題是橫向加壓,為了減少計(jì)算機(jī)的工作量,只取骨干局部約整個(gè)股骨的三分之二進(jìn)行建模以及后續(xù)的研究工作.具體操作過程是:file-iinpoit images-選擇骨干局部的 CT 影像-next,slice distance 改為 0. 018, pixel size 改為 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圖2-2導(dǎo)入圖像3.設(shè)置導(dǎo)入的模型的方位,即在接下來出現(xiàn)的圖框中,將左上方視圖中上端的X 設(shè)置為top,左端的X設(shè)置為left將左下方視圖的左端X設(shè)為anterior,設(shè)置完畢 后單Ai oko圖 2-3 change orientation4設(shè)置閾值,具體的操作過程是：?jiǎn)螕魌hwsholding-默認(rèn)的設(shè)置min為226, max 為 3040-predefined thresholds set 選為 Bone(CT)-applyo圖 2-4

29、 thresholding5.單擊 region growing-source 選為 Yellow,Target 選為 New Mask-選中右側(cè)視圖中的 股骨CT影像(顏色由綠變黃)close.Region GrowingSource: arg皂t: |? Leave Original Mask Yellow -V旦 <New Mask> 3 Multiple LayerClose圖 2-5 region growing6.將導(dǎo)進(jìn)來的micro-CT影像重建為三維實(shí)體模型,具體操作過程為:單擊calculate 3D-選擇 Yellow,Quality 選為 Low-calcul

30、ateo圖 2-6 calculate 3D于是可已得到大鼠股骨骨干局部的三維模型3 ict 乙-Mt VWw TookCMF/Sml*hoo MedCAD RA R«9«trtfK<i «O<t CpOX« MH>a.-%?；>M»<ut»oa<4 出圖2-7三維模型的建立圖2-8大鼠股骨三維模型6.將大鼠股骨的三維模型保存為stl文件格式用于后續(xù)的分析.具體操作為：export-binary stl. - 3D 一選中 Yellow 1 add-finish.吉林大學(xué)木科畢業(yè)論文圖2-9保存為s

31、tl文件格式第2節(jié)用magics對(duì)模型修復(fù)和網(wǎng)格劃分Magicsl3. 0軟件是一個(gè)具有模型導(dǎo)入修復(fù)和網(wǎng)格劃分等的功能的軟件,它能 導(dǎo)入stl文件格式的模型,然后利用工具欄中的fix wizard功能對(duì)模型進(jìn)行自的修 復(fù).它可以修復(fù)的功能包括normals,stitching,noise shells,holes,tiiangle,shells 等類別.Magics 13. 0還具有remesh的網(wǎng)格劃分功能,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)后能自動(dòng)生成網(wǎng) 格,不過生成的網(wǎng)格是面網(wǎng)格,再導(dǎo)入abaqus之后還得轉(zhuǎn)化為體網(wǎng)格,才能進(jìn)行 后續(xù)的分析.劃分完網(wǎng)格之后,對(duì)于網(wǎng)格存在的自交義單元,破小單元等可以標(biāo) 記出來

32、.再次用fix wizard功能進(jìn)行修復(fù).對(duì)于模型存在錯(cuò)位的問題,magics 還有smoothing的功能來進(jìn)行修復(fù).本論文在前面用mimics軟件建成的大鼠股骨模型需要導(dǎo)入magicsl3. 0軟件 進(jìn)行修復(fù),修復(fù)完成之后保存成inp文件格式用于后續(xù)的有限元分析.整個(gè)修復(fù) 過程的演示如下：1 翻開magics 13.0,將所保存的stl文件格式的大鼠股骨三維模型導(dǎo)入,具體操 作為：file-import part-選擇模型文件-open.I大鼠股骨?？盏慕⒑托迯?fù)o 'XWHo n 場(chǎng)2 fdt VWw Toc« AMIavnc MDd«lK IMRt-TM O

33、0M«< Hrtf心“仝 誑航 &莎©懇*,*F"圖2-10導(dǎo)入三維模型2利用 magics 的工具對(duì)模型進(jìn)行修復(fù):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圖 2-11 fix wizard11吉林大學(xué)木科畢業(yè)論文Delete Selected ShellsSeparate Selected Shellslionnals-update-automatic fixing .stitcliing-updateo noise shells選中質(zhì)量為冬的塊 -delete select

35、ed shells oVClosedTrianglesSurface (mmA2)Volume (mm.V21705234466767610720000713600V12000j 門 ManualDetect NoiseSelect AllInvert SdHide UnselI圖 2-12 manuallioles-update,triangle-update,o*erlaps 不用管. shells 在 diagiostics 中顯示為 1 shells detected 即可. 4 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：modulewnwsh圖2-13模型劃分網(wǎng)格選那么 triangle reductio

36、n-nonnal» 在 global 中將 smallest detail 改為 0. 05-ok.吉林大學(xué)木科畢業(yè)論文Triangle Reduction| SS |圖 2-14 triangle reduction圖2-15大鼠股骨三維網(wǎng)格模型選擇 auto remeshsplitbased method,將 quality tlii'eshold 改為 0. 3, mill edge lenth 改為0. 10, max edge lenth改為0. 15.其余保持默認(rèn)值.Auto Remesh (Split-Based Method)棗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圖 2-16 auto remesh于是可得畫好面網(wǎng)格的大鼠股骨三維模型圖2-17大嚴(yán)股骨網(wǎng)格模型5標(biāo)記有問題的單元：filter sharp tiiangle ,filter 設(shè)為 0. 05mm, action 選為 Mark -oko大鼠股骨模空的建立

38、和修復(fù)Filter Sharp Triangles簧Max WidthFilter0.300mmAngle5°ActionO Collapse(j Delete triangles(e) Mark| OX 的cel I 嘟圖 2-18 filter sharp triangles圖2-19被標(biāo)記的有問題爪元圖中被標(biāo)記的即為有問題的單元,運(yùn)用右側(cè)的part quality sheet,調(diào)節(jié)圖中豎線到0.3,即顯示出問題的單元個(gè)數(shù).I大鼠股骨模空的建立和修復(fù)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嘶煩圖 2-20 quality histogram6退岀網(wǎng)格劃分模塊,對(duì)模型及網(wǎng)格重新進(jìn)行修復(fù)：file-exit meshing moduleo7重復(fù)笫二步的修復(fù)過程,和第三步的remesh的網(wǎng)格劃分過程,即可得到相對(duì)較 好的大鼠股骨模型.將模型保存為inp文件格式用于后續(xù)的有限元分析.圖2-21錯(cuò)位股骨模型說明：對(duì)于有些大鼠股骨模

40、型如3-2, 9-1, 9-2等,存在模型錯(cuò)位的問題.在笫一次的fix wizard和wmesh之后,需要對(duì)錯(cuò)位局部的網(wǎng)格進(jìn)行光滑處理,具 體操作過程為：?jiǎn)螕鬽ark polyline按鈕,將錯(cuò)位的網(wǎng)格涂上.illSWIM圖2-22修復(fù)錯(cuò)位股骨模型isw然后利用tools里的smoothing功能進(jìn)行光滑,sti'ength為白分之六十.吉林大學(xué)木科畢業(yè)論文1圖2-23光滑處理于是得到光滑后的模型軸向壓縮試驗(yàn)?zāi)M和股骨抗壓剛度計(jì)算第3章軸向壓縮試驗(yàn)?zāi)M和股骨抗壓剛度的計(jì)算第1節(jié)用abaqus模擬大鼠股骨的軸向壓縮試驗(yàn)在工程實(shí)踐中,經(jīng)常用到受拉或受壓的的構(gòu)件,工作時(shí)以拉伸和壓縮變形為 主

41、,如果構(gòu)件所受的外力或所受的外力合力作用線與桿的軸線是重合的,那么稱之 為軸向拉伸或軸向壓縮.Abaqus軟件是一個(gè)有限元的分析軟件,它可以模擬工程實(shí)踐中的各種力學(xué) 問題來進(jìn)行分析,它能夠解決各種線性和非線性的問題.Abaqus軟件分析模擬的 過程是：1前處理,即工程實(shí)例模型的建立,可以用到的前處理軟件包括catia, 呃等建模軟件.2有限元分析,在這局部主要是對(duì)模型賦予材料屬性,設(shè)定模 型的受力和邊界條件,提交工作進(jìn)行分析.3后處理,這局部是對(duì)分析的結(jié)果 等進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算.本論文在大鼠股骨模型修復(fù)完之后,保存成inp格式導(dǎo)入abaqus施加壓縮載 荷和邊界條件,具體操作過程如下：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 導(dǎo)入所保存的大鼠股骨inp文件,具體操作過程為：file-import-model-oko；D白R(shí) e毎t®rsm “筋勺i?耳厲o吐=旳： Qx 3-1d Medel-：£

43、IT* 営 >ob> laM圖3-1將模型導(dǎo)入abaqus2. 山于magics的remesh畫的網(wǎng)格是面網(wǎng)格,需要在abaqus中把它變成體網(wǎng)格, 具體操作過程為:進(jìn)入mesh模塊,將object ill assembly變?yōu)閜art.單擊菜單欄中 0勺 mesh-edit.-categoiy 選為 mesh,method 選為 convert tri to teto -ok to mesh the part with tetSo3. 進(jìn)入propeity模塊,對(duì)大鼠股骨賦材料屬性,具體操作過程為：1 create matenal-mechaiiical-elasticity-e

44、lastic.Young's Modulus 設(shè)為 15000, Possion'Ratio 設(shè) 為 0. 3-oko圖3-2賦大鼠股骨的材料屬性(2) create section-name 設(shè)為 section-1, categoiy 設(shè)為 solid, type 設(shè)為 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圖3-3創(chuàng)立截面屬性assign section-在 select the regions to be assigned asection 中選圖3-4選擇整個(gè)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圖3-5編輯截面屬性4進(jìn)入assembly模塊,建立右端面的一個(gè)節(jié)點(diǎn)集合.具體操作過程為：tools-s* create- name 設(shè)為 set-1,type 設(shè)為 node-continue-S select the nodes for the set 中選擇 by anglelO. 0-選中左端面的所有節(jié)點(diǎn)-done.圖3-6施加約束5.進(jìn)入step模塊創(chuàng)立分析步,具體的操作

47、步驟為：create step-name設(shè)為step-1, procedure type 設(shè)為 static general-continue 圖3-7創(chuàng)立分析步=Edit StepName: Step-1I Type: Static, GeneralCancel圖3-8編世分析步6進(jìn)入load模塊,對(duì)大鼠股骨模型施加壓縮載荷和邊界條件,具體操作過程為：(1) create boundaiy condition,name 設(shè)為 BC-l,step 設(shè)為 initial, categoiy 設(shè)為 mechaiiicaL types for selected step 選擇 symmetryAmt

48、isyinmetry/Encastiv continue- choose type of region ,單擊 suts-選擇 set-1-continue-選擇 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圖3T編輸邊界條件2由于大鼠股骨模型是一個(gè)不規(guī)那么的,不完全對(duì)稱的橢圓環(huán),所以在軸向加壓 的時(shí)候,必然會(huì)是偏心完

50、屈,即既有壓縮的存在,乂有彎曲的存在.而所研究的 問題是大鼠股骨的抗圧剛度,我們只關(guān)心股骨模型沿軸向的應(yīng)變而不考慮其彎曲, 所以可以限制股骨模型所有節(jié)點(diǎn)沿其它方向的位移,只允許沿軸向的位移,具體 操作過程為：create boundaiy condition-types for selected step 選為 displacem -ent /rotation-continue-select a region from the dialog 選擇 select ill viewport -select regions for the boundaiy condition 選擇 individu

51、ally框選整個(gè)股骨模型-done-edit boundaiy condition 選擇 U1,U2,UR1 ,UR2,UR3-ok圖3-io約束所有節(jié)點(diǎn)沿其它方向的位移對(duì)大鼠股骨模型施加壓縮應(yīng)力,具體操作為：create load-name為load-1,step 設(shè)為 step-1,types for selected step:pressure-continue-selecte surfaces for the load-done-大小設(shè)為7.圖3-11施加壓縮戦荷8捉交工作,進(jìn)行受力分析.具體的操作過程是：job-create job-continue-ok-job manager-s

52、ubniit,等到下面框中顯示成功時(shí),便可以查看結(jié)果了.從位移圖可以得到 所需的數(shù)據(jù).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： .圖3-13大鼠股骨位移圖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陽03 1.932c D3 11.5*56 03 *1.15S»e-B3 4T.727Q-D4 O 064e-cw 40.00DQ-40D第2節(jié) 用材料力學(xué)公式計(jì)算大鼠股骨抗壓剛度在工程實(shí)踐中,經(jīng)常用到受拉或受壓的的構(gòu)件,工作時(shí)以拉伸和壓縮變形為 主.在壓縮試驗(yàn)中可以獲得線應(yīng)變和截面面積,從而計(jì)算模型或構(gòu)件的抗彎剛度. 構(gòu)件在外力作用下尺寸和形狀都會(huì)發(fā)生改變,稱之為變形.構(gòu)件在變形的同時(shí), 其上的點(diǎn),

54、面相對(duì)于初始位置也要發(fā)生變化,這種位置的變化就是位移.為了研 究構(gòu)件截面上內(nèi)力分布規(guī)律,就必須對(duì)構(gòu)件內(nèi)任一點(diǎn)處的變形作深入研究.為此, 設(shè)想把構(gòu)件分割成無數(shù)微小的正六面體,此微小的正六面體在各邊縮小為無窮小 時(shí),稱為單元體.構(gòu)件變形后,其任意單元棱邊的長(zhǎng)度及梁棱邊間夾角都將發(fā)生 變化,把這些變形后的單元體組合起來,就形成變形后的構(gòu)件形狀,反映出構(gòu)件 的整體變形.從構(gòu)件的某一點(diǎn)的周圉I取出單元體,與x軸平行的棱邊ab的長(zhǎng)度 變化稱為絕對(duì)變形,其比值表示每單位長(zhǎng)度的平均伸長(zhǎng),稱為平均線應(yīng)變或相對(duì) 變形.當(dāng)分母趨近于零時(shí),即為沿X方向的線應(yīng)變.它表示一點(diǎn)處沿某一方向長(zhǎng) 度改變的程度.依據(jù)材料力學(xué),彈

55、性模量E的計(jì)算公式是：/b8 = , E =I£將大鼠股骨模型的橫截面擬合成橢圓環(huán),于是可得面積計(jì)算公式：A = 7tBD-7ibd其中B,D為外圈橢圓環(huán)的長(zhǎng)短軸,b,d為內(nèi)圈橢圓環(huán)的長(zhǎng)短軸.1.各個(gè)大鼠股骨的有限元分析結(jié)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圖3-14 3月齡編號(hào)1大鼠位移圖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