振动环境下人体全腰椎动态特性的有限元研究.pdfVIP

博士学位论文公示材料 学生姓名 范威 学号 1410110 二级学科 车辆工程 导师姓名 郭立新 论文题目 振动环境下人体全腰椎动态特性的有限元研究 论文研究方向 车辆人机工程学 论文关键词 全身振动；全腰椎；三维有限元模型；动态特性；腰椎损伤；椎间盘退变 论文摘要 (中文) 近年来，随着经济的发展和社会的进步，汽车已经成为人类出行的主要交通工具，为人们的生活 带来了方便，但也使得人们更加频繁的暴露于全身振动环境之下。鉴于此，越来越多的研究者开始关 注全身振动对人体健康的影响。流行病学研究已经表明人体长期暴露于振动环境中会严重危害脊椎健 康，增加椎间盘退化风险并引发腰痛，直接影响人们的工作效率和生活质量。因此，对振动环境下人 体脊椎生物力学特性和损伤机理的研究具有重要的科学意义。 为研究全身振动环境对人体脊椎动态特性的影响，以及振动环境下损伤脊椎对其临近组织的影响， 本文建立了一个详细的人体全腰椎 （L1–S1）三维非线性有限元模型，并模拟了多种腰椎退化与损伤条 件。利用该模型计算出振动条件下腰椎各个节段的动态响应结果，进行比较研究。本文具体研究内容 如下： （1）利用 CT 扫描方法获得健康人体脊椎骨骼 DICOM 格式的轮廓结构数据，将这些数据导入 Mimics 软件提取出腰椎 L1–S1 段轮廓图像，重建为三维 CAD 模型。再将该 CAD 模型导入有限元软件 ABAQUS 中，依据解剖结构添加椎间盘和韧带组织，最终建立完整的人体全腰椎三维有限元模型。 （2 ）在应用所建立的有限元模型进行分析计算之前，应对模型的有效性进行验证，以保证计算结 果的准确性。在本文中模型验证包括两个部分：静态验证和动态验证。对于静态验证，所建模型在静 态负载下 （轴向压缩、前屈、后伸和侧弯）的预测结果与文献中的实验结果基本一致，均在实验结果 范围之内；对于动态验证，所建模型在自由振动和受迫振动下的响应结果与文献中的相关实验结果也 基本吻合。以上验证结果表明，本文所建立的有限元模型可用于相关的人体腰椎特性研究。 （3 ）应用所建立的全腰椎有限元模型进行自由振动 （模态）分析。通过动态响应结果 （共振频率 和模态振型）对人体腰椎的振动趋势进行研究，了解腰椎何处组织所受振动危害较大，避免人体暴露 于潜在的有害振动环境之中，为腰椎的振动保护提供参考。此外，本文还模拟了几种典型的腰椎损伤 条件，同样对这些损伤模型进行了模态研究，分析它们的动态特性。 （4 ）应用所建立的全腰椎有限元模型进行受迫振动分析。通过分析轴向循环振动载荷下不同腰椎 节段内应力和应变的时域响应，确定外界动态负载对人体腰椎动态特性的影响。为了与动态结果进行 比较，本文还计算了相应静态负载下腰椎的受力变化，结果表明相比于静态负载，动态负载下椎间盘 内的应力和应变明显增加。由此可见，振动载荷增加了腰椎退化与损伤的风险。此外，本文还研究了 轴向压缩预载，循环负载频率等相关参数对腰椎时域动态响应的影响。 （5 ）基于所建立的健康腰椎有限元模型，通过改变 L4–L5 节段椎间盘的几何尺寸和材料属性建立 不同退变程度的全腰椎有限元模型，并对模型的有效应进行验证。随后，对这些退变的腰椎模型进行 受迫振动分析，将所获得的椎间盘内应力和应变的时域响应结果与健康腰椎的结果进行对比，确定椎 间盘退变对整个腰椎动态特性的影响。 （6 ）应用所建立的全腰椎有限元模型，研究振动环境下人体腰椎组织材料的敏感性问题，分析椎 骨组织和椎间盘组织材料特性的变化对整个腰椎系统动态特性的影响。 —1— 论文摘要 （英文） In recent years, with the rapid development of economy and society, vehicles have become the main means of transportation for people to travel. V