人体损伤生物力学实验指导书
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人体生物力学中的运动损伤防治研究第一章引言运动是人类生活中重要的组成部分,不仅可以增强身体素质,还能改善心理状态。
然而,长时间、高强度的运动活动容易造成运动损伤,这不仅会对个体的身体健康带来负面影响,而且对运动者的训练计划和成绩产生不利影响。
因此,人体生物力学中的运动损伤防治研究日益受到关注。
第二章运动损伤的类型与原因2.1 运动损伤的分类运动损伤可以分为急性损伤和慢性损伤两种类型。
急性损伤是由于剧烈而突然的运动或意外事件造成的,例如扭伤、骨折等。
慢性损伤则是由于长时间重复性的运动所致,例如过度使用引起的肌肉拉伤、关节疼痛等。
2.2 运动损伤的原因运动损伤的发生原因多种多样,主要包括:不合理的训练计划、运动技术不正确、缺乏适当的康复与休养、疲劳和缺乏营养等。
此外,个体的性别、年龄、体质、肌肉骨骼结构等因素也会影响运动损伤的产生。
第三章运动损伤的诊断与评估3.1 运动损伤的诊断运动损伤的诊断通常基于临床和体育医学的方法,其中包括体格检查、病史调查、疼痛评估、影像学和实验室检查等。
综合这些方法,可以对运动损伤的类型和程度进行准确的诊断。
3.2 运动损伤的评估针对运动损伤的评估,主要包括功能评估和生物力学评估。
功能评估通过测试和测量运动者的生理功能和体能水平,以评估运动能力和康复进展。
生物力学评估则通过使用运动分析系统和力传感器等工具,对运动损伤的力学特性进行定量评估。
第四章运动损伤的治疗与康复4.1 运动损伤的治疗运动损伤的治疗包括保守治疗和手术治疗两种方法。
保守治疗主要通过物理疗法、药物治疗、康复训练等方式来缓解疼痛、恢复功能。
手术治疗则适用于严重的损伤,如骨折、关节脱位等。
4.2 运动损伤的康复运动损伤的康复包括早期康复、中期康复和晚期康复等阶段,其中早期康复主要通过控制疼痛和炎症,保护损伤组织;中期康复则注重恢复功能,包括肌力训练、关节功能训练等;晚期康复则强调运动能力的恢复和运动技术的提高。
实验名称:膝关节的生物力学研究一、实验目的1. 了解膝关节的生物力学特性;2. 掌握膝关节的生物力学实验方法;3. 分析膝关节在不同运动状态下的受力情况;4. 为膝关节损伤的诊断和治疗提供理论依据。
二、实验原理膝关节是人体最大的关节,由股骨、胫骨和髌骨组成,具有复杂的生物力学特性。
膝关节的生物力学研究有助于揭示膝关节损伤的机制,为临床诊断和治疗提供理论依据。
三、实验材料1. 膝关节模型;2. 生物力学测试仪;3. 力传感器;4. 计算机及数据采集软件;5. 软件及实验指导书。
四、实验方法1. 实验装置:将膝关节模型安装在生物力学测试仪上,将力传感器安装在膝关节模型上,通过计算机及数据采集软件实时采集实验数据。
2. 实验步骤:(1)调整膝关节模型,使其处于中立位;(2)在膝关节模型上施加不同的负荷,记录相应的受力情况;(3)模拟膝关节在不同运动状态下的受力情况,如屈伸、旋转等;(4)分析实验数据,得出膝关节在不同运动状态下的受力规律。
五、实验结果与分析1. 实验结果(1)在膝关节中立位时,股骨与胫骨之间的接触面积最大,受力分布较为均匀;(2)在膝关节屈伸运动过程中,受力集中在膝关节前侧,受力大小随着屈伸角度的增加而增大;(3)在膝关节旋转运动过程中,受力集中在膝关节内侧,受力大小随着旋转角度的增加而增大。
2. 结果分析(1)膝关节中立位时,受力分布较为均匀,有利于关节的稳定;(2)膝关节屈伸运动过程中,受力集中在膝关节前侧,可能与膝关节前交叉韧带承受的张力有关;(3)膝关节旋转运动过程中,受力集中在膝关节内侧,可能与膝关节内侧副韧带承受的张力有关。
六、结论通过本实验,我们掌握了膝关节的生物力学实验方法,分析了膝关节在不同运动状态下的受力情况。
实验结果表明,膝关节在不同运动状态下受力分布存在差异,为膝关节损伤的诊断和治疗提供了理论依据。
七、实验讨论1. 本实验采用膝关节模型进行实验,与人体膝关节存在一定差异,实验结果仅供参考;2. 实验过程中,实验数据的采集和分析需要较高的技术要求,可能存在误差;3. 膝关节的生物力学特性受多种因素影响,如年龄、性别、体重等,本实验未考虑这些因素,实验结果具有一定局限性。
生物力学实验报告生物力学实验报告导言:生物力学是研究生物体运动和力学特性的学科,它涉及到生物体的力学行为以及与环境和其他物体的相互作用。
本实验旨在探究生物力学在人体运动中的应用,并通过实验数据分析和结果讨论来验证相关理论。
实验目的:1. 了解生物力学的基本概念和原理;2. 掌握生物力学实验的基本操作方法;3. 分析生物力学实验数据,得出结论。
实验材料与方法:材料:测力计、人体模型、计算机、数据采集软件。
方法:将测力计固定在人体模型的不同部位,进行相应的运动实验,并使用数据采集软件记录实验数据。
实验结果与讨论:在实验中,我们选择了手臂和腿部作为研究对象,通过测力计记录了不同运动状态下的受力情况,并进行了数据分析和讨论。
手臂实验结果:我们首先将测力计固定在手臂的肌肉上,进行了屈臂和伸臂的实验。
实验结果显示,在屈臂时,测力计所测得的力值逐渐增加;而在伸臂时,测力计所测得的力值逐渐减小。
这说明在手臂屈伸运动中,肌肉的收缩力和伸展力是相互作用的结果。
腿部实验结果:接下来,我们将测力计固定在腿部的肌肉上,进行了蹲下和跳跃的实验。
实验结果显示,在蹲下时,测力计所测得的力值逐渐增加;而在跳跃时,测力计所测得的力值迅速增大,然后迅速减小。
这说明在腿部蹲下和跳跃的运动中,肌肉的收缩力和伸展力也是相互作用的结果。
实验结论:通过以上实验结果的分析,我们可以得出以下结论:1. 在手臂屈伸运动中,肌肉的收缩力和伸展力是相互作用的结果;2. 在腿部蹲下和跳跃的运动中,肌肉的收缩力和伸展力也是相互作用的结果。
结语:本实验通过测力计在手臂和腿部的实验中,验证了生物力学在人体运动中的应用。
通过分析实验数据和讨论结果,我们对生物力学的基本概念和原理有了更深入的了解,并掌握了生物力学实验的基本操作方法。
生物力学的研究对于解析人体运动和改善运动技能具有重要意义,希望本实验能为相关研究提供一定的参考和启示。
生物力学技术在运动损伤康复中的应用研究摘要:运动损伤是体育训练和比赛中常见的问题,对运动员的身体健康和竞技能力产生负面影响。
生物力学技术通过对运动损伤的分析和康复训练的监测,能够帮助运动员恢复到最佳状态。
本文将探讨生物力学技术在运动损伤康复中的应用研究。
第一节:引言运动损伤是运动员在体育训练和比赛过程中面临的常见问题。
这些损伤可能是因为力量过度或运动方式不当导致的,严重影响运动员的训练和比赛进程。
传统的康复方法通常依赖于主观经验和诊断,而生物力学技术则能提供客观、准确的运动数据,有助于设计个性化的康复方案。
第二节:生物力学技术的原理生物力学技术是一种将力学原理应用于生物系统的技术,可以分析和评估人体运动的力量、角度和速度等参数。
这些技术通常使用传感器和相机等设备,将运动数据捕捉下来并进行分析和解释。
生物力学技术的原理基于运动学和动力学两个方面,通过这些方面的分析和评估,能够提供关于运动损伤的诊断和康复方案的指导。
第三节:生物力学技术在运动损伤诊断中的应用生物力学技术在运动损伤诊断中的应用,可以通过分析运动员的运动模式和力量分布,帮助医生准确诊断损伤的类型和程度。
例如,在跑步损伤中,生物力学技术可以评估跑步时的脚步着地方式、膝关节的运动范围和力量分布等参数,从而确定是否存在异常和潜在的损伤。
通过这些分析,医生可以制定出更加有针对性的康复方案。
第四节:生物力学技术在康复训练中的应用生物力学技术不仅在运动损伤的诊断中有所应用,还可以在康复训练过程中发挥重要作用。
通过对运动员进行康复期间的运动监测和数据分析,可以及时调整康复训练方案,以确保运动员的康复进展符合理想状态。
例如,在骨折康复过程中,生物力学技术可以监测骨骼的运动角度和负荷分布,及时判定骨折处是否已经完全恢复,以便确定是否可以逐步增加负荷和训练强度。
第五节:生物力学技术的挑战和发展趋势尽管生物力学技术在运动损伤康复中的应用已经取得了一定的成果,但仍然存在一些挑战和限制。
《运动康复生物力学》实践教学大纲(供四年制本科运动康复专业使用)Ⅰ前言运动康复生物力学是根据人体的解剖和生理特点及力学性质,用力学原理和方法探讨人体机械运动的规律,研究合理的运动动作技术,分析各种因素造成的运动功能障碍,以及运动损伤的原因、机理,为制订合理的治疗及康复方案提供依据。
通过讲授运动生物力学的基础知识和基本理论,使学生加深对各项运动技术的理解,掌握运动生物力学基本研究方法,并能够运用于体育运动实践及康复治疗过程中对动作技术的分析。
为运动技术分析、身体训练、预防运动创伤、理解运动技术原理及提高体育运动项目技术教学的理论水平奠定基础,同时也为学生在日后工作中确定医疗方案、选择康复手段、制定运动处方提供必要的生物力学知识保障。
本大纲适用于四年制本科运动康复专业使用。
现将大纲使用中有关问题说明如下:一为了使教师和学生更好地掌握教材,大纲每一章节均由教学目的、教学要求和教学内容三部分组成。
教学目的注明教学目标,教学要求分掌握、熟悉和了解三个级别,教学内容与教学要求级别相对应,并统一标示(核心内容即知识点以下划实线,重点内容以下划虚线,一般内容不标示)便于学生重点学习。
二教师在保证大纲核心内容的前提下,可根据不同教学手段,讲授重点内容和介绍一般内容,有的内容可留给学生自学。
三总教学参考学时为8学时。
四教材:《运动生物力学》,人民体育出版社,陆爱云,1版,2010年。
Ⅱ正文实践一一维与二维重心计算一教学目的在熟悉人体重心基本理论知识的基础上,掌握平衡板测试一维重心的方法,掌握图片分析二维重心的方法。
二教学要求(一)掌握一维重心测试方法。
(二)掌握一维重心计算方法。
(三)掌握图片分析方法。
(四)掌握图片重心计算方法。
三教学内容(一)平衡板一维重心测试方法实践二流体力学在运动技术中的运用一教学目的在熟悉流体力学理论知识的基础上,掌握流体力学原理在各项运动技术中的实践运用。
二教学要求(一)熟悉流体力学在各项运动技术中的表现(二)掌握球体的旋转效用与回应方式(三)掌握根据不同需求设计球体的旋转方式三教学内容(一)各球类项目中流体力学的表现(二)乒乓球上旋球、下旋球的应用与回击方式(三)投篮技术原理(四)香蕉球的应用实践三8号生物电仪器在运动技术分析中的运用一教学目的在熟悉运动生物力学相关理论知识的基础上,掌握8号生物电仪器在运动技术分析中的运用。
一、实验目的1. 了解髋关节的生物力学特性;2. 探究髋关节在不同运动状态下的力学变化;3. 分析髋关节损伤的原因及预防措施。
二、实验背景髋关节是人体最大的关节,具有承重、旋转、屈伸等多种功能。
髋关节的损伤在日常生活中较为常见,如髋关节骨折、关节炎等。
为了深入了解髋关节的生物力学特性,本实验对髋关节进行了一系列的生物力学研究。
三、实验材料与设备1. 实验材料:新鲜尸体髋关节标本、力学测试装置、运动模拟器等;2. 实验设备:电子万能试验机、影像测量系统、高速摄像机等。
四、实验方法1. 髋关节标本准备:将新鲜尸体髋关节标本进行解剖,去除肌肉、血管等软组织,保留髋关节的骨性结构;2. 力学测试:将髋关节标本固定在力学测试装置上,通过电子万能试验机对髋关节进行拉伸、压缩、扭转等力学测试,记录髋关节在不同载荷下的力学响应;3. 运动模拟:利用运动模拟器模拟髋关节的屈伸、旋转等运动,通过高速摄像机记录髋关节的运动轨迹和力学变化;4. 影像测量:利用影像测量系统对髋关节的形态、结构进行测量,分析髋关节在不同运动状态下的形态变化。
五、实验结果与分析1. 髋关节力学特性分析:实验结果表明,髋关节在拉伸、压缩、扭转等力学作用下,具有一定的弹性和塑性。
在拉伸载荷下,髋关节的弹性模量约为3.5GPa,屈服强度约为500MPa;在压缩载荷下,弹性模量约为2.0GPa,屈服强度约为400MPa;在扭转载荷下,弹性模量约为1.5GPa,屈服强度约为300MPa。
2. 髋关节运动特性分析:实验结果表明,髋关节在屈伸、旋转等运动状态下,具有较好的运动范围和稳定性。
在屈伸运动中,髋关节的最大活动角度约为120°;在旋转运动中,髋关节的最大活动角度约为45°。
3. 髋关节损伤原因分析:实验结果表明,髋关节损伤的主要原因包括:骨质疏松、肌肉力量不足、运动不当等。
骨质疏松会导致髋关节的骨密度降低,从而增加骨折的风险;肌肉力量不足会导致关节稳定性下降,容易发生关节损伤;运动不当会导致关节负荷过大,增加损伤风险。
骨伤科生物力学骨伤科生物力学是研究人体骨骼系统在运动中的力学特性和力学变化规律的学科。
它结合了生物学和力学的原理,通过研究骨骼系统的力学行为,可以帮助医生更好地理解和治疗骨伤疾病。
一、骨骼系统的力学特性骨骼系统是人体的支撑结构,能够承受来自外部的力和负载。
骨骼系统的力学特性包括骨骼的刚度、强度和韧性。
1. 刚度:骨骼的刚度是指骨骼对外部力的抵抗能力。
刚度越大,骨骼对外力的变形程度越小。
骨骼的刚度主要由骨组织的弹性模量决定,不同骨骼部位的刚度也不同。
2. 强度:骨骼的强度是指骨骼能够承受的最大力。
强度与骨骼的结构和组织密切相关,骨骼中的骨小梁和骨小片是承受压力和拉力的主要部位,它们的数量和分布对骨骼的强度起着重要作用。
3. 韧性:骨骼的韧性是指骨骼对外部冲击或震动的抵抗能力。
韧性主要由骨骼的韧带和骨骼间负责缓冲和吸收冲击力的软骨组织共同作用。
二、生物力学在骨伤科中的应用生物力学研究的目标是通过分析骨骼系统的力学行为,为骨伤科的临床实践提供理论依据和技术支持。
1. 骨折修复:生物力学可以帮助医生了解骨折过程中骨骼的应力和应变变化,通过设计适当的外固定装置或内固定器材来促进骨折的愈合。
此外,生物力学还可以评估不同修复方法的效果,并优化治疗方案。
2. 关节置换:生物力学可以评估关节置换术的效果和潜在的机械问题,为手术方案的选择和术后康复提供指导。
通过模拟和分析关节的力学行为,可以预测人工关节的寿命和功能,进一步优化关节置换手术的效果。
3. 运动损伤预防:生物力学可以分析运动时骨骼系统的负荷分布和运动方式,帮助预防运动损伤的发生。
通过评估运动员的运动技术和姿势,可以提出相应的建议和指导,减少运动伤害的风险。
4. 功能评估和康复训练:生物力学可以通过运动分析和力学测量来评估患者的骨骼功能,并设计个性化的康复训练方案。
通过监测康复过程中的力学变化,可以及时调整康复计划,提高康复效果。
三、发展趋势和挑战随着科技的进步和研究的深入,骨伤科生物力学面临着新的机遇和挑战。
运动功能恢复的生物力学研究在当今社会,运动功能恢复对于那些因受伤、疾病或其他原因导致运动能力受损的人来说至关重要。
生物力学作为一门交叉学科,为深入理解和促进运动功能恢复提供了有力的理论支持和实践指导。
运动功能恢复的生物力学研究,首先需要关注人体运动的基本原理。
人体的运动是一个复杂而精细的过程,涉及骨骼、肌肉、关节、韧带等多个组织结构的协同作用。
从生物力学的角度来看,每一个动作都产生了特定的力学效应,例如力量、力矩、速度和加速度等。
当运动功能受损时,这些力学参数往往会发生改变,从而影响身体的正常运动。
以常见的骨折康复为例,骨折后的骨骼结构和力学性能发生了变化。
在恢复过程中,生物力学的研究可以帮助确定合适的康复训练方案。
通过分析骨折部位在不同运动状态下所承受的应力和应变,医生可以评估康复进展,并调整训练强度和方式,以避免再次损伤,同时促进骨骼的愈合和功能恢复。
肌肉力量在运动功能恢复中起着关键作用。
肌肉的收缩产生力量,驱动关节的运动。
然而,受伤或疾病可能导致肌肉萎缩、力量下降。
生物力学研究可以通过测量肌肉的力量输出、肌肉纤维的长度变化等参数,来评估肌肉功能的受损程度,并制定针对性的康复训练计划。
例如,采用电刺激、抗阻训练等方法来增强肌肉力量,恢复正常的运动功能。
关节的稳定性和灵活性对于运动功能同样重要。
关节的生物力学特性包括关节面的形状、关节囊和韧带的张力等。
当关节受到损伤时,如韧带拉伤或半月板损伤,关节的稳定性可能会受到影响。
通过生物力学分析,可以了解损伤对关节运动学和动力学的影响,进而设计出合适的康复训练,如关节活动度训练、平衡训练等,以恢复关节的正常功能。
在运动功能恢复的过程中,运动模式的重塑也是一个重要方面。
正常的运动模式是经过长期的进化和适应形成的,具有高效性和经济性。
但受伤后,人们往往会不自觉地改变运动模式,以避免疼痛或减少损伤部位的受力。
然而,这种改变的运动模式可能并不理想,甚至会导致其他部位的代偿性损伤。
人体生物力学研究及运动损伤防控策略一、人体生物力学研究概述人体生物力学是研究人体在生理和运动过程中所受到的外界力及其反应的科学,涉及领域广泛包括力学、解剖学、生理学、运动学等多个学科。
通过对人体各个组织结构、关节、骨骼等的结构和力学性能的研究,可以深入了解人体在不同运动状态下所受到的力学负荷以及力学响应,为运动损伤的防控提供科学依据。
二、人体动力学和运动损伤1. 动力学是研究物体运动的力学学科,而人体动力学是运动力学的一个重要分支。
人体在运动过程中,受到身体自身重量、地面反作用力、肌肉力量等多种力的作用,这些力对关节、软组织产生压力和拉力,容易导致运动损伤的发生。
2. 运动损伤是指在运动或体力活动中,由于外部力学作用、肌肉疲劳、不恰当的姿势或缺乏适应性等原因导致的身体伤害。
运动损伤包括软组织损伤(如拉伤、扭伤、肌肉劳损等)、骨折、关节损伤等。
减轻和预防运动损伤是运动科学和生物力学研究的重要领域。
三、运动损伤防控策略1. 运动前准备在进行运动活动之前,进行适当的热身运动是非常重要的。
热身运动可以促进血液循环,提高肌肉、韧带和关节的伸展性,减少运动损伤的风险。
热身运动可以包括关节的旋转、身体的伸展、简单的慢跑等。
2. 动作正确性正确的动作技术对于减少运动损伤的发生非常重要。
不正确的姿势或动作技术可能导致不必要的力量集中在某个关节或肌肉上,从而引发运动损伤。
因此,学习正确的动作技术,遵循运动科学的指导非常必要。
3. 逐步增加运动强度逐步增加运动强度是防止运动损伤的有效策略之一。
过度运动或突然增加运动强度可能导致肌肉疲劳和拉伤等损伤。
合理的训练计划、适当的休息和恢复时间都能够减少肌肉和关节的过度磨损,减少运动损伤的风险。
4. 使用适合的运动装备适合的运动装备可以提供必要的支撑和保护,减少运动损伤的风险。
例如,合适的运动鞋能够减少对脚部和膝关节的压力;护具可以提供关节支持和稳定度,减少关节扭伤的发生。
5. 营养均衡和补充营养均衡对于维持身体健康和防控运动损伤很重要。
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1.2~1.5m/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 etal(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/m 3) 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 2000 0.3 13.5 115 1.7 Untaroiu et al (2005)[92] 胫骨腓骨皮质骨 2000 0.3 17.5 125 1.6 股骨头松质骨 1100 0.3 0.9 9.3 13.4 股骨上端松质骨 1100 0.3 0.616 6.6 13.4 股骨下端松质骨 1100 0.3 0.298 5.6 13.4 胫骨腓骨松质骨 1100 0.3 0.445 5.3 13.4 股骨皮质骨 2000 0.3 17.3 110 - Snedeker et al (2003)[181] 股骨松质骨 1000 0.3 - 1.47 - 股骨头皮质骨 2000 0.3 17.9 100 - Kim et al (2005)[189] 股骨骨节皮质骨 1800 0.3 17.9 100 - 股骨干皮质骨 1800 0.3 17.9 100 - 髌骨皮质骨 1500 0.3 12.0 100 - 股骨头松质骨 1500 0.3 0.25 10 - 股骨骨节松质骨 1500 0.3 0.25 10 - 髌骨松质骨 1500 0.3 0.25 10 - 股骨皮质骨 1850 0.315 14.317 114.1 2.0 Takahashi et al (2000)[90] 胫骨皮质骨 1850 0.315 20.003 129.0 1.5 松质骨 600 0.315 0.295 3.7 13.4 股骨头松质骨 600 0.315 0.792 9.1 13.4 股骨胫骨体皮质骨 1800-2100 0.3 16-17.5 120 3 Beillas et al (2001)[87] 股骨胫骨干骺端 1800-2000 0.3 12-15 80-100 3 骨骺皮质骨 1800 0.3 5-6 80-100 3 腓骨髌骨皮质骨1500-2100 0.3 12-15 80-100 2-3 松质骨 1300-18500.3 0.075-0.45 10 3 皮质骨 - 0.3 9-15 80-120 2-3 Arnoux et al (2004)[93] 松质骨-0.30.010-0.45103四、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。