10岁儿童头部有限元模型的建立及验证

基于Kriging模型的有限元模型修正方法研究基于Kriging模型的有限元模型修正方法研究摘要：有限元模型是一种常用的结构分析方法，然而，由于模型假设和离散化误差等因素，其结果可能存在一定误差。

本文提出了基于Kriging模型的有限元模型修正方法，通过对已有有限元模型数据进行拟合，进而修正模型中的误差，并对修正效果进行验证。

实验结果表明，基于Kriging模型的有限元模型修正方法能够显著提高有限元模型的精度和稳定性。

关键词：有限元模型；Kriging模型；模型修正；精度；稳定性1. 引言有限元模型是一种常用的结构分析方法，广泛应用于工程领域。

然而，在实际应用过程中，由于对结构复杂性的简化、参数估计误差以及离散化误差等因素的影响，有限元模型的分析结果可能存在一定误差，从而影响工程设计的准确性。

因此，如何对有限元模型进行修正并提高其精度和稳定性成为了一个重要的研究方向。

2. Kriging模型的基本原理Kriging模型是一种基于统计学的插值方法，通过对已有样本数据的拟合，预测未知位置上的数值。

其基本思想是通过已知样本点之间的空间相关性，在未知位置上进行插值，从而得到预测结果。

Kriging模型通过建立样本点之间的半变异函数，从而描述其空间相关性，并通过最小化预测误差来确定未知位置上的数值。

3. 基于Kriging模型的有限元模型修正方法基于Kriging模型的有限元模型修正方法主要包括以下几个步骤：（1）数据采集：首先，需要采集与有限元模型相关的数据，包括原始模型的力学性能、结构几何参数、材料参数等。

（2）数据预处理：对采集到的数据进行预处理，包括数据的筛选、去噪和归一化处理等，以减小数据误差对模型修正的影响。

（3）Kriging模型构建：根据预处理后的数据，构建Kriging模型，包括选择合适的半变异函数、估计其参数，并进行模型的验证。

（4）有限元模型的修正：利用步骤（3）中构建的Kriging模型，对已有的有限元模型进行修正，得到修正后的模型。

2012年12月第9卷第6期生物骨科材料与临床研究O RTHOPAEDIC B IOMECHANICS M A TERIALS A ND C LINICAL S TUDY.5.doi:10.3969/j.issn.1672-5972.2012.06.002文章编号：swgk2012-07-0127腰椎有限元模型建立方法的研究徐飞陈安民*董永辉郭风劲黄仕龙[摘要]目的介绍一种基于CT扫描图像重建腰椎有限元模型的方法。

方法通过CT扫描获得人体腰椎断层图片，在Mimics10.0软件及Patran-Nastran中进行腰椎有限元建模，在此模型的L3椎体上表面加载500N轴向压力以模拟正常人站立时的情况，再分别在15NM力矩下进行屈、伸、侧弯以及扭转四个动作来验证模型的有效性。

结果建立的腰椎有限元模型各方向的位移与符合真实情况，并且椎间盘应力分布接近现实。

结论利用CT扫描技术建立限元模型的方法精确有效。

[关键词]腰椎；生物力学；有限元模型[中图分类号]R318[文献标识码]AA method of establishing a finite element model of human lumbarXu Fei,Chen Anmin,Dong Yonghui,et al.Department of Orthopedics,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei430030,China.[Abstract]Objective To establish a finite element model of human lumbar based CT scanning images.Methods UsingMimics10.0and Patran-Nastran,a finite element model of human lumbar was establish by CT scanning images.L3upper surfaces were loading500N stresses to simulate a normal standing.Then,15NM torque were loading on L3asflexing,stretch,lateral and bending,respectively.Results Displacement of the finite element model was accordingwith the reality,and the stress distribution of intervertebral disc was close to reality.Conclusion The method of estab-lishing finite element model based on CT scanning images is accurate.[Keywords]Lumbar;Biomechanics;Finite element model随着计算机技术的发展，各类大型有限元软件的开发与应用，有限元分析在医学工程设计和分析中应用广泛，其理论与计算方法也逐斩完善，已经成为工程分析计算中必不可少的工具。

脊柱有限元模型验证技巧
1.材料参数的确定：确定脊柱组织的力学性质是建立有限元模型的关键。

目前常用的方法是通过实验测量材料的应力-应变曲线，然后使用适当的材料模型来计算材料的弹性模量、泊松比等参数。

2. 网格的选择和精度：模拟脊柱的有限元模型需要进行网格划分。

对于脊柱这样的非均匀复杂结构，网格划分的精度和质量对模拟结果的准确性有重要影响。

因此，需要考虑网格的大小、形状和密度等因素，以及对结果的敏感性分析。

3. 负载条件的设置：在有限元模拟中，需要设置合适的负载条件来模拟真实的生理负载。

这些负载条件可能包括压力、弯曲、扭矩等，可以通过测量和文献研究确定。

在模拟过程中，需要对负载条件进行敏感性分析，以确定模型的稳定性和可靠性。

4. 模型的验证和验证方法：模型验证是评估模型准确性的关键步骤。

常用的方法包括与实验数据比较，包括力学测试、CT/MRI成像和运动分析等。

在验证过程中，需要考虑模型的误差来源，分析误差对结果的影响，以及确定模型的可靠性和准确性。

总体而言，脊柱有限元模型的验证需要结合材料科学、生物力学和工程学的知识，采用科学合理的方法和技术来保证模型的准确性和可靠性。

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拇外翻足三维有限元模型构建及其第1、2跖列生物力学分析耿艳利;苑智文;宣伯凯;徐敏【期刊名称】《医用生物力学》【年(卷),期】2024(39)2【摘要】目的建立拇外翻足有限元模型,研究不同拉力下第1、2跖列的应力及位移变化情况。

方法将采集的拇外翻病人足部CT图像导入Mimics软件,重建足部三维骨骼模型;利用3-matic软件对重建模型进行网格划分与体网格生成;将优化处理过的模型导入ANSYS中进行有限元分析,通过改变拉力大小、方向验证拉力与第1、2跖列的应力、位移之间的关系。

结果对第1近节趾骨施加不同大小、方向的拉力,当力小于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨位移变化较为明显,拉力每增大2 N,位移约增加1 mm;当力大于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨应力不断增加,而位移只发生微小变化;而当力保持12 N不变,以15°间隔改变力的方向时,第1、2跖列的应力大小及其分布随方向的变化而改变,同时位移也会产生相应的变化,且当力的方向与第2趾骨方向越趋于垂直时,第1趾骨产生的位移越大。

结论有限元分析技术可以形象、准确地分析第1、2跖列在不同拉力下的应力及位移变化情况,为拇外翻矫形器的设计奠定基础。

【总页数】6页(P272-277)【作者】耿艳利;苑智文;宣伯凯;徐敏【作者单位】河北工业大学人工智能与数据科学学院;智能康复装置与检测技术教育部工程研究中心;天津医科大学朱宪彝纪念医院【正文语种】中文【中图分类】R318.01【相关文献】1.人体胸廓骨骼三维有限元模型的构建及生物力学分析2.全腰椎三维有限元模型的构建及仰卧位屈曲模式下椎间盘蠕变的生物力学分析3.脊髓型颈椎病患者三维有限元模型的构建与生物力学分析4.带有枕骨全颈椎三维有限元模型的构建及生物力学分析5.拇外翻足有限元模型构建及其第1跖趾关节生物力学分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

曲镦锻成形过程中容易产生的模具型腔填充不满现象相一致㊂对铅锻件进行总体测量,其曲拐主轴颈为15mm ,曲柄颈为13.75mm ,锻件塌角量为0.2mm ,飞边量为1.8mm ㊂曲柄臂主要结构尺寸与原型锻件设计图中尺寸比例均符合系统几何相似系数㊂(a)滞留在弯曲模具中的锻件(b)铅曲轴图6 铅曲轴弯曲镦锻物理模拟结果3.3 曲轴成形载荷图7所示为N T R 弯曲物理模拟系统中模具传感器记录的铅曲轴成形载荷数据与铅曲轴数值模拟成形载荷数据㊂(a)镦锻力行程时间曲线(b)弯曲力行程时间曲线图7 铅曲轴成形模具载荷-行程时间物理模拟及数值模拟结果通过铅曲轴物理模拟成形载荷数据与数值模拟载荷数据对比,物理模拟镦锻力行程时间曲线㊁弯曲力行程时间曲线分别与数值模拟曲线变化趋势相吻合㊂它们的区别主要表现如下:①整个成形周期中,物理模拟载荷数据略高于数值模拟结果,终锻载荷偏差为9.1%,成形过程载荷最大偏差为14.6%;②镦锻模具运动起始时刻物理模拟载荷数据不为零㊂主要原因如下:①铅曲轴成形数值模拟材料数据与其实际力学性能存在一定误差;②铅曲轴成形物理模拟中镦锻模具运行初始速度加载不是瞬时实现的,曲轴变形前镦锻模具加速过程中模座与导轨的摩擦力致使模具测力传感器数据不为零㊂由图7a 可见,弯曲镦锻前期,曲轴镦锻力缓慢增大;随着金属材料填充型腔,与模具接触面积增大,材料的变形抗力增大,曲轴镦锻力随模具行程增大而迅速增大;弯曲镦锻后期,锻件飞边形成,模锻阻力急剧增大,镦锻结束时达到曲轴成形过程的最大值㊂图7b 很好地反映了镦镦弯”工艺方案曲轴整个变形过程中弯曲力随模具行程时间变化的实际情况,可以为曲轴原型工艺方案研究提供参考㊂4 结论(1)曲轴N T R 弯曲镦锻物理模拟系统轴坯与模具尺寸满足与原型系统的精确几何相似条件,通过控制三个步进电机,可以精确实现其与原型系统的运动学相似㊂(2)根据双曲正弦形式修正的A r r h e n i u s 流变应力数学模型,对于给定相关性水平毩=0.05,铅的室温塑性变形性能与42C r M o 钢的高温塑形变形性能近似相似㊂以铅作为模拟材料的曲轴N T R 弯曲镦锻系统可以实现与原型系统的近似动力学相似㊂(3)曲轴N T R 弯曲镦锻物理模拟系统可有效仿真原型系统中各种有关参数的效应和所期望的有关现象㊂所得锻件出现模锻工艺中容易产生的填充不满与飞边现象,并且主体结构尺寸与锻件设计尺寸满足相似常数㊂(4)基于相似理论的物理模拟方法可降低曲轴弯曲镦锻工艺研究成本,可为大型全纤维曲轴N T R 弯曲镦锻成形规律研究提供可靠研究方法与工艺参考数据㊂参考文献:[1] 崔怀旭,段志刚,张振纯. N T R ”法全纤维曲轴弯曲镦锻技术[J ].机械设计,2006,23(S ):151‐153.C u iH u a i x u ,D u a nZ h i g a n g ,Z h a n g Z h e n c h u n .N T R U p s e t ‐b e n d i n g P r o c e s s f o rC o n t i n u o u s G r a i n F l o w C r a n k s h a f t [J ].J o u r n a l o fM a c h i n eD e s i g n ,2006,23(S ):151‐153.[2] 樊志江,孙丹凤,孙晓鹏,等.N T R 法锻造18V 48/60曲轴可行性分析[J ].大型铸锻件,2009(5):14‐16.(下转第1414页)㊃9041㊃曲轴N T R 弯曲镦锻物理模拟系统相似性分析王栋彦 张连洪 李 航基于中国人体特征的正面碰撞假人的开发策略探讨曹立波 黄新刚 戴黄伟 颜凌波湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082摘要:采用计算机仿真方法探讨了在现有H yb r i d Ⅲ假人基础上通过较少的改变来开发符合中国人体特征的假人的可行性㊂根据比例缩放方法建立了整体符合中国50百分位人体的假人有限元模型㊂考虑到中美两国人体最大差异在于四肢,且躯干全部缩放后加工难度较大,故建立了以美国人体特征为基础仅缩放假人四肢和调整部分躯干部件的假人模型,同时,改变假人的材料参数得到了另外一个假人模型㊂对以上三个假人模型进行碰撞仿真,结果表明,改变假人的材料参数对其碰撞响应的影响很小,而缩放假人外形尺寸对其碰撞响应影响较大,且结果显示缩放假人四肢并调整部分躯干部件的假人与缩放全体段假人的动态响应基本吻合㊂因此,采用部分缩放的方法来开发中国假人是可行的㊂关键词:中国人体;假人;汽车碰撞;仿真;缩放中图分类号:U 461.91 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.10.025D e v e l o p m e n t S t r a t e g y o f F r o n t a l C r a s hD u m m y B a s e do nC h i n e s eH u m a nB o d yC a oL i b o H u a n g X i n g a n gD a iH u a n g w e i Y a nL i n g b o S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dD e s i gna n d M a n u f a c t u r e f o r V e h i c l eB o d y ,H u n a nU n i v e r s i t y ,C h a n gs h a ,410082A b s t r a c t :B y u s i n g c o m p u t e r s i m u l a t i o nm e t h o d ,t h e f e a s i b i l i t y o f d e v e l o p i n g a f r o n t a l c r a s hd u m -m y w a s s t u d i e d ,w h i c h w a s i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fC h i n e s eh u m a nb o d y t h r o u gha f e wc h a n g e s t o t h e c u r r e n tH y b r i d Ⅲd u mm y .B a s e do nt h es c a l i n g me t h o d ,t h ef i n i t ee l e m e n t (F E )m o d e l o fd u mm y w a sd e v e l o p e d w h i c hc a nf i t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f50t h p e r c e n t i l eC h i n e s eh u m a n b o d y .S i n c e t h e l i m b sw e r e t h em o s t d i f f e r e n t b o d ypa r t sb e t w e e nC h i n e s e a n dA m e r ic a n a nd t he t o r s o of d u mm y w a s d i f f i c u l t t o p r o c e s s a f t e r s c a l i ng ,th u s o n l yt h e s i z e s o f l i m b sw e r e s c a l e d a n d t h e s i z e o f s o m e p a r t s o f t o r s ow e r e a d j u s t e d t od e v e l o p a n o t h e rF Ed u mm y m o d e l .T h e t h i r dF Ed u mm y m o d e l w a sd e v e l o p e db y c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r so fm a t e r i a l so f t h e s t a n d a r dd u mm y m o d e l .F r o n t a l c r a s h s i m u l a t i o n sw e r e c o n d u c t e db y u s i n g t h e s e t h r e ed u mm y m o d e l s .T h e r e s u l t s s h o wt h a t c h a n g i n g t h e p a r a m e t e r s o fm a t e r i a l h a s l i t t l ee f f e c to nd u mm y c o l l i s i o nr e s p o n s eb u t c h a n g i n g t h ed i m e n s i o n so f d u mm y h a s a g r e a te f f e c to ni t .I t i sa l s o i n d i c a t e dt h a t t h ed y n a m i cr e s po n s e so f t h e p a r t i a l s c a l e d d u mm y a r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n t w i t ht h a to ft h ef u l ls c a l e dd u mm y .T h e r e f o r e ,t h e p a r t i a ls c a l i n gm e t h o d c a nb eu s e d t od e v e l o p t h eC h i n e s e o c c u p a n t d u mm y.K e y wo r d s :C h i n e s eh u m a nb o d y ;d u mm y ;v e h i c l e c r a s h ;s i m u l a t i o n ;s c a l i n g 收稿日期:2012 07 02基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012A A 111802)0 引言目前国内正面碰撞试验中所采用的假人都是美国通用汽车公司于1976年开发的H yb r i d Ⅲ50百分位假人㊂该假人是根据美国人体尺寸设计的,其身高㊁体重㊁人体各部分的重心位置㊁转动惯量㊁旋转半径等参数与中国人体的相应参数相差较大㊂研究表明,在相同的车辆正面碰撞情况下,该假人与中国50百分位成年男性的损伤差别较大[1]㊂因此,有必要开发符合中国人体特性的碰撞试验假人㊂开发符合中国50百分位人体的假人最直接的办法是参照H yb r i d Ⅲ5百分位女性假人和95百分位男性假人的开发方法,根据中美两国人体尺寸对H yb r i d Ⅲ50百分位假人进行全体段缩放得到㊂然而,该方法会导致现有生产H yb r i d Ⅲ50百分位假人的模具和工装夹具的大量变化,成本很高㊂M o s s 等[2]的统计对比表明,亚洲人体尺寸和欧美人体尺寸最大的区别在于亚洲人的大腿的长度要比欧美人的大腿长度短很多㊂文献[3]中更是指出中国人体尺寸与该标准提供的人体尺寸相比,只需手臂长减小7%,腿长减小10%㊂考虑到上述统计规律,且四肢长短很大程度上决定了乘员乘坐的前后位置,同时为节省开发制造成本,本文提出了通过部分体段缩放方法,即缩放H yb r i d Ⅲ50百分位假人四肢并调整其躯干部分零部件,得到符合中国50百分位人体的碰撞假人的开发方案㊂㊃0141㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月为分析上述部分体段缩放开发方案是否合理,本文应用有限元方法缩放H y b r i dⅢ50百分位假人,建立了缩放全体段和缩放部分体段两组假人有限元模型,对两组假人碰撞响应进行了对比㊂考虑到中国人体组织和美国人体组织的动态响应存在区别,且在开发中国假人时可能需要对一些材料进行替换,本文建立了缩放所有金属件㊁皮肤件材料参数的对比假人模型,并将其碰撞响应与原假人模型进行了对比㊂1 假人缩放方法本文采用的假人缩放方法为设计5百分位女性假人和95百分位男性假人时所用的比例缩放方法[4]㊂比例缩放将人体分为头㊁颈㊁躯干㊁左右臂㊁左右手㊁左右大腿㊁左右小腿10个体段,然后对各体段分别进行缩放㊂其缩放系数主要有相对于局部坐标系的外形尺寸缩放系数λx㊁λy㊁λz㊂为保证缩放后得到的假人模型与原假人模型有相同的生物拟合性,必须确保二者的质量分布相同,因此λx和λy必须相等,并通过质量比例R m来约束三者的关系㊂以下为各体段缩放系数确定的具体方法㊂头部缩放系数的确定:λx=λy=λz=(C1+W1+L1)/(C0+W0+L0)(1)w H e a d1/w H e a d0=R m=λ3x(2)式中,C为头部周长;W为头部宽度;L为头部长度;w H e a d 为头部质量;下标1表示中国50百分位人体,下标0表示美国50百分位人体㊂颈部和躯干缩放系数的确定:λz=H E S1/H E S0(3)R m=w T B1/w T B0(4)λx=λy=R12m/λ12z(5)式中,H E S为挺直状态下的坐高;w T B为总质量㊂对于四肢,λz为中美两国人体对应体段长度之比,R m为对应体段质量之比,λx和λy由式(5)确定㊂比例缩放方法中对人体各体段的划分和各体段参考点㊁参考坐标系㊁重心等的确定主要参考AMV O(t h e a n t h r o p o m e t r y f o rm o t o r v e h i c l e o c-c u p a n t s)[5]中提出的针对假人设计的人体测量方法,其坐标系等的确定如图1所示㊂2 假人模型的建立2.1 全体段缩放假人模型的建立根据上述假人缩放方法,对比在相同测量条图1 人体体段的划分及其局部坐标系的建立件下的两国人体尺寸[6‐7],得到了表1所示的各体段缩放系数㊂对假人各体段模型分别缩放,缩放后按原假人模型的装配方法进行装配,得到中国人体尺寸对比组假人模型,其和原假人对比如图2所示㊂缩放得到的中国假人模型质量为59.844k g,与中国50百分位人体的质量相符㊂表1 中国50百分位假人缩放系数人体分段中国50百分位假人缩放系数R mλzλy λx头0.91550.9710.9710.971颈部和躯干0.7610.9840.8790.879上臂0.7320.9050.8990.899下臂0.4980.9040.7420.742大腿0.7650.9400.9020.902小腿0.6310.9070.8340.834图2 全体段缩放假人(左)和H y b r i dⅢ假人(右) 2.2 部分体段缩放假人模型的建立部分体段假人缩放与全体段缩放的方法一样,是仅对假人四肢中长骨及少数连接件进行缩放㊂为使部分缩放后的假人模型在质量㊁质量分布及动态响应上与缩放全体段得到的中国50百分位假人相符,对该模型躯干进行了以下调整:对假人肋骨㊁腰椎和胸部传感器安装座进行缩放;应用H y p e r M e s h中的H y p e r M o r p h模块对假人上躯干皮肤形状进行调整,使皮肤与调整后的假人骨架结构相适应;对胸部和盆骨配重块及一些简单件进行调整㊂该方案避免了对头颈㊁肩部㊁盆骨等大量复杂件的改动㊂在相同参考坐标系㊁位置及相同状态下,缩放并调整躯干后,假人模型的尺寸㊁质量及质心位置等参数与缩放全体段假人模型的相应参数的对比如表2所示,缩放全体段假人模型与部分体段缩㊃1141㊃基于中国人体特征的正面碰撞假人的开发策略探讨 曹立波 黄新刚 戴黄伟等放假人模型对比如图3所示㊂由表2可知,两组缩放假人在重要尺寸㊁质量上的相对误差都小于5%,且重心位置也相差很小㊂表2 部分缩放与全体段缩放假人模型参数对比模型组缩放全体段缩放四肢和肋骨误差总质量(k g)59.84460.7411.5%(相对误差)挺直坐高(mm )869.8881.11.3%(相对误差)股膝距(mm )556.3563.51.3%(相对误差)膝到脚底距(mm )447.0455.71.9%(相对误差)肩肘距(mm )305.7305.70肘腕距(mm )268.7268.70相对全局坐标系重心位置(mm )x 1201.61206.24.6mm y -338.7-339.00.3mm z410.7420.19.4mm 图3 全体段缩放假人(左)与部分体段缩放假人(右)2.3 改变材料参数的假人模型的建立正常情况下,假人在碰撞过程中只发生弹性变形,并没有发生失效变形,因此,仅改变假人骨骼中金属件材料和皮肤材料的密度㊁弹性模量或体积模量即可㊂考虑到同百分位中国人体相对美国人体更轻,将中国假人模型中所选零件材料的密度㊁弹性模量或体积模量统一减小5%㊁10%㊁20%(相对于美国模型),得到了仅材料参数不同于H y b r i d Ⅲ50百分位假人的三个对比模型㊂3 碰撞原始模型的建立及验证基于L S -D Y N A 的分析方法建立了某量产车型的驾驶员侧正面碰撞有限元模型㊂该模型主要包括车体系统㊁安全带系统㊁安全气囊系统以及H yb r i dⅢ50百分位假人模型,如图4所示㊂该模图4 碰撞仿真模型型中,通过将试验中车体B 柱下方所测得的加速度脉冲施加到驾驶员假人系统中进行仿真,得到的部分仿真结果和试验结果对比如图5和表3所示㊂(a)头部x 向加速度对比(b)胸部x 向加速度对比(c)盆骨x 向加速度对比1.试验曲线 2.仿真曲线图5 部分试验与仿真结果对比表3 仿真与试验结果峰值对比仿真试验误差(%)头部x 向加速度-49.49g -45.26g 9.35胸部x 向加速度-44.32g -41.82g5.98盆骨x 向加速度-44.25g -43.58g 1.51胸部压缩量(mm )-28.58-28.810.80肩带力(k N )3.984.174.56腰带力(k N )6.317.1211.38由图5和表3可得,仿真中假人的各动态响应㊁肩带力及腰带力与试验结果均达到了较好的一致性,因此,该模型可以用于后续的研究㊂4 不同假人碰撞仿真对比4.1 部分缩放与全体段缩放假人仿真对比将原碰撞模型中的假人模型用全体段缩放和部分体段缩放假人模型替换,并对模型中的座椅及安全带进行调整㊂两个假人模型的外形尺寸相差很小,其乘坐前后位置也基本相同,在相同的碰撞条件下进行碰撞仿真,结果如图6和表4所示㊂由图6和表4可得,两组模型的各动态响应在曲线走势㊁峰值时刻及峰值大小上都基本吻合,㊃2141㊃中国机械工程第25卷第10期2014年5月下半月(a)头部加速度对比(b)胸部x 向加速度对比(c)盆骨x 向加速度对比(d)胸部变形量的对比(e)左大腿力的对比(f)右大腿力的对比1.全体段仿真结果 2.部分体段缩放图6 缩放全体段和缩放四肢头颈假人响应对比缩放模型误差小于5%(以原假人模型中的参数为基准)㊂因此,可认为缩放四肢并调整上躯干得到的假人与缩放全体段得到的假人的碰撞动态响应基本一致㊂表4 各组假人损伤值峰值对比模型组缩放全体段缩放四肢肋骨缩放模型偏差(%)头部H I C 值536.52540.020.6颈部y 向扭矩(N ㊃m )67.87865.4363.6胸部压缩量(mm )26.6125.862.8胸部3m s 加速度36.94g 38.61g 4.5左大腿力(k N )1.0971.0652.3右大腿力(k N )1.3131.3553.24.2 缩放材料参数假人与原假人仿真对比将原来的H yb r i d Ⅲ50百分位假人用改变材料参数的假人替换㊂将仿真结果与原模型的结果对比发现,改变材料参数对假人的碰撞响应影响很小㊂表5为材料参数减小最多的一个模型(假人所有金属件和除头部与膝部外的皮肤件材料参数中的密度㊁弹性模量或体积模量统一缩小20%)与原假人的仿真结果对比㊂抛开对假人耐用性㊁重复性的影响,对比结果很好地证明了在一定范围内均匀替换假人材料对假人的动态响应影响很小㊂因此,在开发中国假人时不需考虑两国人体组织力学响应的差异㊂表5 材料参数缩小20%和标准假人仿真结果对比测量项目原模型材料参数缩小20%最大偏差峰值偏差(%)头部总加速度峰值60.71g62.29g3.65g2.5胸部x 向加速度峰值-44.32g -46.19g -4.99g4.2盆骨x 向加速度峰值-44.25g -46.36g 2.60g 4.8胸部压缩量峰值(mm )-28.58-29.632.593.7左大腿力峰值(k N )1.8631.7820.1464.3右大腿力峰值(k N )1.4331.3520.2195.65 结语由仿真对比结果可知,材料参数对假人的碰撞响应影响较小㊂因此在没有大量的人体生物力学试验数据的前提下开发中国碰撞假人时,直接参照H yb r i d Ⅲ50百分位假人选取各部件的材料是合理的,且在制造过程中对一些部件材料用近似材料替换是可行的㊂缩放假人外形尺寸对其碰撞响应影响相对较大,本文通过缩放四肢并调整躯干得到的部分体段缩放假人模型与缩放全体段假人模型的碰撞响应基本吻合㊂由此可见,通过缩放H yb r i d Ⅲ50百分位假人的四肢和调整其躯干的肋骨㊁腰椎及一些简单件来开发中国碰撞假人,既可以得到与缩放全体段得到的中国50百分位碰撞假人相一致的质量㊁质量分布㊁主要外形尺寸㊁乘坐位置及碰撞响应,又能大幅降低开发㊃3141㊃基于中国人体特征的正面碰撞假人的开发策略探讨曹立波 黄新刚 戴黄伟等。

基于MSCT和Mimics软件构建人体颅骨三维有限元模型黄平;李正东;邵煜;邹冬华;刘宁国;李立;陈圆圆;万雷;陈忆九【摘要】Objective To establish a human 3D finite element skull model, and to explore its value in biomechanics analysis. Methods The cadaveric head was scanned and then 3D skull model was created using Mimics software based on 2D CT axial images. The 3D skull model was optimized by preprocessor along with creation of the surface and volume meshes. The stress changes, after the head was struck by an object or the head hit the ground directly, were analyzed using ANSYS software. Results The original 3D skull model showed a large number of triangles with a poor quality and high similarity with the real head, while the optimized model showed high quality surface and volume meshes with a small number of triangles comparatively.The model could show the local and global stress changes effectively. Conclusion The human 3D skull model can be established using MSCT and Mimics software and provides a good finite element model for biomechanics analysis. This model may also provide a base for the study of head stress changes following different forces.%目的建立人体颅骨的有限元三维模型,探索人体颅骨有限元模型在生物力学分析中的价值.方法用MSCT对尸体头部扫描后.使用Mimics建模软件对CT二维图像进行三维重建,并对原始三维颅骨模型优化,然后对模型进行面网格和体网格划分,利用ANSYS有限元分析软件验证颅骨被物体打击和颅骨撞击地面的不同应力变化.结果原始三维颅骨模型显示出大量细小低质量三角片.且与实体结构有较高的相似性,优化后的有限元三维颅骨模型显示出高质量面网格和体网格,三角片数量较少.该四面体网格化颅骨3D模型可以有效显示颅骨局部受力和整体受力的变化结果.结论利用MSCT结合Mimics软件可以有效建立人体颅骨的三维有限元模型,并为研究颅骨不同受力后的应力变化提供了条件.【期刊名称】《法医学杂志》【年(卷),期】2011(027)001【总页数】5页(P1-4,8)【关键词】法医病理学;生物力学;有限元分析;体层摄影术,螺旋计算机;颅骨【作者】黄平;李正东;邵煜;邹冬华;刘宁国;李立;陈圆圆;万雷;陈忆九【作者单位】司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;复旦大学,上海医学院法医学系,上海,200032;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;复旦大学,上海医学院法医学系,上海,200032;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;复旦大学,上海医学院法医学系,上海,200032;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;苏州大学,医学部法医学系,江苏,苏州,215123;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063;司法部司法鉴定科学技术研究所,上海市法医学重点实验室,上海,200063【正文语种】中文【中图分类】DF795.1;O302颅脑损伤是法医病理学实践中最常见且致死率最高的损伤，在法医鉴定案件中常需要分析颅脑损伤机制和方式，尤其是颅骨骨折。

1362｜中国组织工程研究｜第26卷｜第9期｜2022年3月步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析白子兴1，曹旭含1，孙承颐2，杨艳军1，陈 思1，温建民1，林新晓1，孙卫东1文题释义：踝关节：由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成。

胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同形成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车，由于滑车关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内，关节稳定；但在跖屈时，滑车较窄的后部进入窝内，踝关节松动且能作侧方运动，容易发生扭伤。

步态周期：步态是人类步行的行为特征，是人类生存的基础，其中步态分析方法已发展成为临床工作中的重要组成部分。

行走过程中从一侧足跟着地至该足跟再次着地构成一个步态周期，步态周期包括支撑时相(稳定期约为整个步态周期的62%)和摆动时相(摆动期约为整个周期的38%)，其中踝关节跖屈在支撑末期出现峰值，约为20°。

摘要背景：踝关节属于人体最重要的承重关节之一，在行走过程中发挥着重要作用，目前缺少有关踝关节在步态周期中应力的相关研究。

目的：基于有限元法分析步态周期中踝关节的应力大小及区域变化。

方法：首先通过Mimics 16.0软件及Rapidform XOR 3 64软件构建踝关节有限元模型；利用此踝关节模型与Anderson 构建的胫距下关节面有限元模型的应力及接触面积进行对比，验证模型的有效性；最后通过ABAQUS 有限元分析软件，模拟踝关节在步态周期中平衡站立工况及支撑末期工况的应力状态，通过对比相同区域不同工况的应力变化，分析踝关节在步态周期中的作用，探讨踝关节失稳状态下踝关节的应力变化。

结果与结论：①构建的踝关节有限元模型共包括44 551个单元、16 718个节点，并验证了其有效性与合理性；②平衡站立工况下：主要应力集中在距腓前韧带(A 、B)、胫距前韧带(C 、D)、胫距后韧带近端(F)、胫距关节下表面(H)；踝关节最大应力在胫距后韧带近端附着点(F)，为10.670 MPa ；最小应力在内踝胫骨关节面(J)，为2.965 MPa ；③支撑末期工况下：主要应力集中在距腓前韧带(A 、B)、胫距前韧带(C 、D)、胫距关节下表面(H)、外踝距骨关节面(K)；踝关节最大应力在胫距前韧带近端(D)，为23.00 MPa ；最小应力在胫距后韧带近端附着点(F)，为3.478 MPa ；④提示构建的踝关节有限元模型高度还原了踝关节的力学环境，明确了步态周期中踝关节的应力规律，为临床踝关节相关疾病的诊疗与术后康复提供了思路。