楊濟(jì)寧，張 鏝，張 露，徐 晶

(1.內(nèi)江師范學(xué)院人工智能學(xué)院,四川 內(nèi)江 641100;2.內(nèi)江師范學(xué)院智慧醫(yī)療工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,四川 內(nèi)江 641100;3.內(nèi)江師范學(xué)院內(nèi)師-容天智慧醫(yī)療工程應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,四川 內(nèi)江 641100;4.珠海博聞教育科技發(fā)展有限公司,廣東 珠海 519000)

在骨傷醫(yī)學(xué)中,應(yīng)力損傷是非常常見(jiàn)的。應(yīng)力損傷是一種作用于機(jī)體結(jié)構(gòu)的力學(xué)過(guò)程,也是生物體以其獨(dú)特而復(fù)雜的力學(xué)特性響應(yīng)應(yīng)力作用的過(guò)程[1]。當(dāng)它與生物體接觸時(shí),會(huì)造成生物體發(fā)生瞬時(shí)形變,從而造成機(jī)體部分組織或器官損傷[2-6]。因此對(duì)于生物體在應(yīng)力沖擊下的損傷特性研究對(duì)研究防應(yīng)力損傷設(shè)備來(lái)說(shuō)是非常重要的。特別是老年人防摔設(shè)備。

為了分析在爆炸沖擊與側(cè)向瞬時(shí)傾倒時(shí),人體手臂機(jī)體內(nèi)部的應(yīng)力損傷效應(yīng),利用多層圓柱,建立人體前臂應(yīng)力損傷機(jī)制模型。通過(guò)在載荷面加載106N/m2的沖擊力,以此分析體前臂在受到應(yīng)力作用時(shí)的傳導(dǎo)機(jī)制。

1 模型基礎(chǔ)

根據(jù)人體解剖學(xué)知識(shí)得知,通過(guò)簡(jiǎn)化后,人體組織結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)基本是由皮膚、脂肪、肌肉、骨骼4種主要組織通過(guò)分層構(gòu)成的。為了分析在應(yīng)力作用下,手臂彈性機(jī)體和剛性機(jī)體的受力與瞬態(tài)形變情況,本研究建立了具有機(jī)體彈性機(jī)制的有限元模型。通過(guò)文獻(xiàn)[7-9]查找得知,皮膚、脂肪、肌肉可以視為粘彈性材料,而骨骼近似剛性組織,這幾種材料的材料參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 組織材料參數(shù)

通過(guò)靜態(tài)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),初始狀態(tài)機(jī)體可以視為力平衡。因此標(biāo)準(zhǔn)模型中,總的應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)定為0。

1.1 控制方程

在模型設(shè)計(jì)中,由于皮膚、脂肪、肌肉組織是粘彈性材料,而骨骼近似剛性組織,材料特性設(shè)計(jì)較復(fù)雜,需要控制的參數(shù)也比較多。在研究中,為提高模型的計(jì)算效率,從而減小計(jì)算成本,對(duì)模型進(jìn)行了一系列的簡(jiǎn)化,將模型中的所有組織材料定義為各向同性。對(duì)于各向同性剛材料,只需要輸入質(zhì)量密度、彈性模量和泊松比參數(shù),對(duì)于粘彈性材料根據(jù)線粘彈性材料模型。該模型采用偏量特性:

(1)

其中,t表示應(yīng)力效應(yīng)最大作用時(shí)間;τ表示應(yīng)力沖擊任意瞬間。

式中剪切松弛模量為:

φ(τ)=G∞+(G0-G∞)e-βt.

(2)

其中,G0表示短期限的彈性剪切模量;G∞表示長(zhǎng)期限的彈性剪切模量;β表示衰減常數(shù)。

在模型中,由彈性體積模量K和體積V滿足計(jì)算壓力關(guān)系:

P=KlnV.

(3)

2 有限元模型建立

2.1 模型幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建

為了便于后期設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)手臂解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和幾何學(xué)特性,將手臂簡(jiǎn)化成一個(gè)最大半徑為40 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱。從外向內(nèi)分離出皮膚、脂肪、肌肉以及骨骼(圖3)。

圖1 手臂幾何結(jié)構(gòu)模型建立

考慮到機(jī)體盡量要與真實(shí)人體接近,在此處設(shè)置皮膚厚度為2 mm,脂肪厚度為2 mm,肌肉厚度為26 mm,骨骼半徑為10 mm。以此作為近似真實(shí)人的手臂模型。

2.2 邊界設(shè)定

在模型中,需要設(shè)定模型的應(yīng)力面與位移面,而這兩個(gè)邊界通常是相對(duì)的。因此模型中邊界設(shè)定如圖2。

圖2 邊界設(shè)定

圖3 機(jī)體受力時(shí)瞬時(shí)位移能量圖

2.3 網(wǎng)格劃分

在模型中,為了保證模型計(jì)算的魯棒性,使用自由四面體網(wǎng)格類(lèi)型對(duì)簡(jiǎn)化的手臂模型實(shí)施劃分,網(wǎng)格序列類(lèi)型為用戶控制,單元格大小為較細(xì)化,剖分完成后,域單元數(shù)682 714,邊界元數(shù)193 850,邊單元數(shù)5209。

2.4 模型計(jì)算參數(shù)設(shè)定

在模型中,通過(guò)文獻(xiàn)得知,在爆炸沖擊與側(cè)向瞬時(shí)傾倒時(shí),人體手臂應(yīng)力面約受到106N/m2沖擊力,應(yīng)在模型的應(yīng)力面施加一個(gè)106N/m2的沖擊載荷作為載荷源來(lái)分析機(jī)體受力與形變情況。同時(shí)設(shè)定圓柱的上下底面邊界為自由面。

3 結(jié)果及分析

將配置完成的有限元軟件在多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.5中實(shí)施計(jì)算。計(jì)算機(jī)參數(shù)包括CPU:Intel(R) Core(TM) i7-8750H CPU @ 2.20 GHz;內(nèi)存:96.0 GB;系統(tǒng):64位windows 10。用時(shí)513 s得出結(jié)果見(jiàn)圖5,圖6。

圖5給出了機(jī)體內(nèi)部在受到應(yīng)力沖擊時(shí)所具備的瞬時(shí)位移能量圖。從圖中可以看出,由于皮膚、脂肪、肌肉為粘彈性材料,當(dāng)這些組織受到應(yīng)力效應(yīng)時(shí)會(huì)隨能力的大小產(chǎn)生響應(yīng)的形變;而骨骼近似剛性組織,在外力作用下幾乎不會(huì)產(chǎn)生形變。由上圖可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生位移的能量效應(yīng)主要集中在應(yīng)力面的皮膚、脂肪、肌肉這些粘彈性組織中,而骨骼處幾乎不會(huì)產(chǎn)生形變。

4 結(jié)論

本研究以人體前臂為研究對(duì)象,分析在應(yīng)力沖擊作用下,人體內(nèi)部組織的位移情況與應(yīng)力張量分布情況。通過(guò)建模分析發(fā)現(xiàn),由于皮膚、脂肪、肌肉是粘彈性組織,當(dāng)機(jī)體受到應(yīng)力沖擊時(shí),應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化成位移的方式將能量釋放出來(lái),從而導(dǎo)致該部分組織應(yīng)力張量基本為0,應(yīng)力沖擊下這些組織損傷并不明顯。然而,由于骨骼是剛性組織,外界施加的能量在此處沒(méi)法轉(zhuǎn)化成位移消散,從而導(dǎo)致在骨骼處會(huì)存在大量能量蓄積,在骨骼處的應(yīng)力張量最大。當(dāng)應(yīng)力張量超過(guò)骨骼最大承受值時(shí),就會(huì)引起骨折來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。因此在應(yīng)力沖擊中,骨骼的損傷是非常明顯的。