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有限元分析在生物力學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛，用于模擬沖擊、碰撞等較短時間內(nèi)動態(tài)過程的顯式求解方法也越來越受到重視。目前此種求解方法主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)的瞬時沖擊，交通工具對人體不同部位的撞擊跌倒，瞬間股骨近端和骨盆等所受沖擊以及運動中足部結(jié)構(gòu)所受沖擊等方面，對理解動態(tài)過程中各部位的受力狀態(tài)及致傷機制有重要作用。對于模擬生物體在沖擊狀態(tài)下的受力情況研究，目前較多關(guān)注于相關(guān)骨與關(guān)節(jié)的力學(xué)分布狀態(tài)，而對于其周圍起重要力傳遞作用的皮膚及皮下組織的FEA模擬精確性關(guān)注較少。軟組織抗壓機械性能模擬的準(zhǔn)確性將直接影響整體模型FEA結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要對皮膚及皮下組織的FEA相關(guān)參數(shù)進行有效設(shè)定，并對其FEA模擬準(zhǔn)確性進行驗證。
本研究以常用的FEA軟件為工作平臺，以足跟部皮膚(皮下組織復(fù)合體作為實驗對象，對其抗壓機械性能進行測定，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對軟組織的FEA相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，最后結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對FEA模擬結(jié)果進行驗證，為相關(guān)研究提供有效的軟組織FEA參數(shù)計算方法；并介紹如何優(yōu)化參數(shù)以提高計算準(zhǔn)確度，為相關(guān)人體沖擊的FEA研究提供參考。
利用超彈性材料屬性定義軟組織時，在高壓縮率情況下，軟組織的有效剛度與體外實驗相比偏小，這在本實驗以等的研究中均可觀察到。簡化的 FEA 模型和使用具有標(biāo)準(zhǔn)化性質(zhì)的名義應(yīng)力及名義應(yīng)變計算材料參數(shù)可能是造成此問題的主要原因。
軟組織中液體含量較大且近似具有不可壓縮材料特性，所以將模型賦予各向同性特性超彈性材料屬性是目前FEA中對軟組織常用的簡化方法。利用現(xiàn)有軟件所定義的超彈性材料本構(gòu)方程對軟組織進行定義，并根據(jù)實驗測量的軟組織抗壓縮性能所獲取材料參數(shù)對模型進行賦值運算是當(dāng)前軟組織FEA 模擬中的常用做法。此方法可獲取與實驗狀態(tài)下具有相同走行趨勢的 FEA 輸出結(jié)果，具有較好的模擬性能，但其 FEA 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性卻有待提高。
本實驗對皮膚(皮下組織復(fù)合體進行軟組織單軸壓縮性能測試，與橡膠等超彈性材料測試主要利用單軸和雙軸拉伸實驗不同，這主要與軟組織的具體性質(zhì)有關(guān)。一方面，對軟組織進行拉伸實驗較困難; 另一方面，軟組織脂肪含量豐富，在壓縮過程中接觸面的摩擦阻力對材料性能幾乎不造成影響，故本實驗選擇單軸壓縮實驗對軟組織材料性質(zhì)進行測試。在模擬脂肪等結(jié)締組織的超彈性材料屬性時，多用二階的polyminan非線性超彈性模型。本實驗證明，利用功能進行超彈性材料參數(shù)計算和曲線估計時，二階 polyminan擬合曲線與實驗曲線幾乎完全重合，說明應(yīng)用此種模型的合理性。
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