低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究_李睿.pdfVIP

第 30 卷 第 4 期 应 用 力 学 学 报 Vol.30 No.4 2013 年 8 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Aug. 2013 文章编号：1000- 4939(2013) 04-0635-06 低频振动作用下人体椎间盘多孔弹性单元的研究 李睿 郭立新 (东北大学机械工程与自动化学院 110819 沈阳) 摘要：建立了 L4/L5 段人体腰椎关节的非线性多孔弹性单元有限元模型，并对该模型进行了轴向 静力（0Hz)和低频(0.01 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz)振动作用各 1 小时的仿真研究，对比了在不同 频率振动作用下人体脊椎组织的多孔弹性单元力学特性。结果表明：在相同振幅和时间内，与低 频(0.01Hz、0.1Hz)相比，相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)作用下的椎间盘组织产生的??向位移较大， 髓核和纤维环的孔压应力均呈现逐渐上升的趋势；与此同时，髓核的有效应力逐渐增加，而纤维 环的有效应力却逐渐减少；在相对较低频率(0.01Hz、0.1Hz)作用下的各项力学特性指标与静力作 用下的相比，差值均在 3%以下；加载时间超过 600s 后，振动频率的增加更容易使椎间盘轴向位 移增大；相对较高频率(0.5 Hz、1 Hz)振动作用下髓核和纤维环内的孔压值逐渐升高，而静力压缩 和相对较低频率(0.01 Hz、0.1 Hz) 振动作用下孔压值却逐渐降低；不断增加的孔压应力使椎间盘 内的体液流失速率变大，导致椎间盘退化。 关键词：人体椎间盘；多孔弹性单元；低频振动；有限元分析 中图分类号：TB17 文献标识码：A DOI：10.11776/cjam.30.04.D040 元模型研究了脊椎的力学特征，文献[6]~[9]采用多孔 1 引 言 弹性单元有限元模型研究了脊椎的力学特征。文献[6] 建立了一个非线性多孔弹性单元有限元模型，并研究 在日常工作和生活中人体很容易暴露于冲击或 在振动作用下椎间盘失效的过程；文献[9]应用有限元 者振动的环境中，统计数据显示：大约 4%~7%的职 程序对椎体-椎间盘的固液耦合轴对称模型进行了数 业会引起全身振动并带来损伤[1]。研究表明：长期 值分析；其中也有很多着眼于模型在振动作用下的研 从事全身置于振动中的工作会严重影响脊椎和与其 究[8]。但是关于动态特性的研究仍较少，尤其是容易 相连的神经系统的健康, 并引发腰椎疼痛，因此一 被人们忽视的低频段范围内的振动作用对人体的影 些国家还将这种情况列入职业病的范围。脊椎在低 响，所以本文对低频振动作用下椎间盘多孔弹性单元 频(＜6Hz)振动的环境下，例如长时间在崎岖不平的 的研究是一项重要内容的补充。 路面上驾乘卡车或者公交车等，容易导致腰疼。因 此有必要进一步研究人体腰椎间盘在低频振动作用 2 方 法 下的力学特性。 为了弥补实验方法的不足，文献[2]~[5]利用有限 通过有限元软件 ABAQUS 6.10 建立 L4/L5 段腰 基金项目：国家自然科学基金(51275