膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

股骨干骨折系统模型建立及有限元分析-生物力学毕业论文

目录第一章绪论 (1) 1．1引言 (1) 1.2骨折内固定接骨板的国内外研究现状 (1) 1.2.1国外研究现状 (1) 1.2.2国内研究现状 (2) 1.3骨生物力学有限元仿真的研究现状 (2) 1.3.1国外研究现状 (2) 1.3.2国内研究现状 (3) 1.4骨生物力学性能实验的国内外研究现状 (3) 1.4.1骨生物力学性能实验的国外研究现状 (3) 1.4.2骨生物力学性能实验的国内研究现状 (4) 1.5论文的研究目的、内容及章节安排 (4) 1.5.1研究目的 (4) 1.5.2研究内容 (4) 1.5.3章节安排 (4) 1.6本章小结 (5) 第二章股骨及相关附属结构的简介 (6) 2.1股骨的解剖结构 (6) 2.2股骨的附属结构 (7) 2.2.1膝关节的解剖结构分析 (7) 2.2.2髋关节的解剖结构分析 (8) 2.3股骨干骨折类型 (8) 2.4骨折愈合机制 (9) 2.5本章小结 (9) 第三章股骨干骨折系统模型建立及有限元分析 (11) 3.1有限元分析的前提 (11) 3.2股骨三维模型的建立 (11) 3.2.1反求工程的概念 (11) 3.2.2股骨模型的建立 (13) 3.2.3钛合金接骨板、骨钉模型的建立及与股骨的装配 (17) 3.2.4在ANSYS软件内建立股骨骨折系统模型 (17) 3.3内固定接骨板系统的有限元分析 (18)

3.3.1定义单元类型和材料属性 (18) 3.3.2 划分网格 (19) 3.3.4加载方式 (21) 3.3.5计算求解 (21) 3.3.6 后处理 (21) 3.3.7有限元分析结果整理 (29) 3.3.8 结果分析 (30) 3.4 本章小结 (31) 第四章股骨愈合的力学实验 (32) 4.1电测法的简介 (32) 4.1.1电测法的基本概述 (32) 4.1.2电测法的特点 (32) 4.2电测法在骨生物力学的应用 (32) 4.3骨愈合力学实验 (33) 4.3.1实验设计 (33) 4.3.2实验数据统计 (34) 4.4对应有限元分析模型的建立 (35) 4.5本章小结 (36) 第五章股骨有限元分析结果与实验结果的对照 (37) 5.1实验数据整理 (37) 5.2实验数据与有限元分析数据的比较 (38) 5.3本章小结 (40) 第六章结论与展望 (41) 6.1 结论 (41) 6.2展望 (41) 参考文献 (42) 致谢 (43)

abaqus有限元分析过程

一、有限单元法的基本原理有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。由位移求出应变, 由应变求出应力二、ABAQUS有限元分析过程有限元分析过程可以分为以下几个阶段 1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。

2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成 3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。 “Part（部件）用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。 Property（特性）截面（Section）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。 Assembly（装配件）所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本（instance），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。一个ABAQUS模型只包含一个装配件。

运动鞋的生物力学分析

运动鞋的生物力学分析班级：本硕121 姓名：孟宪章学号：5702112111 摘要：运动鞋科技的每一项进步都离不开生物力学研究。无论国际品牌Nike和Adidas，还是以李宁为代表的国内一线品牌，其核心技术的创新都必须遵循人体运动的生物力学原理。足的结构与力学功能问题、“足—鞋—地”相互作用的力学问题、鞋体材料与结构的运动功效问题以及足的骨结构生物力学模型问题，一直以来都是运动鞋生物力学研究的主题。国内外的品牌运动鞋的核心技术也都大同小异，主要是：模拟裸足、足跟控制、缓震减震。能量回归。 1 足的生物力学研究足作为下肢的末端环节，通过直接或间接与外界接触，并发生力的相互作用，从而改变人体的运动状态。因此，足的结构与运动功能的生物力学问题是运动鞋生物力学研究的基础。足的生物力学研究主要涉及足的结构与形态分析、足的运动学测量分析、足的动力学测量分析和足的生物力学建模分析。 1．1足的形态与结构分析足的形态与结构测量，借助了现代影像技术及电子技术，如三维足部扫描系统、X光、CT和MRI动态扫描系统等都早已运用于不同功能运动鞋的设计与制作。基于CAD计算机辅助设计并结合数字化技术的脚型测量系统，则使脚型测量更加简单快捷，个性化运动鞋的设计已变得十分方便。 1．2足的运动学测量分析 Siegler等研究了人体踝关节和距下关节的三维运动学特征，提出的重要结论对认识踝关节、距下关节以及在旋转、内翻等足运动过程中的作用具有指导意义。Sammarco利用瞬时旋转中心的方法考察了踝关节在背屈和内翻动作中的运动学特征。EIlgsbe利用有限螺旋轴法研究了跟距关节的三维运动学特征。Root等不仅提出了足部形态结构影响足部运动功能的观点，而且，采用三维影像技术研究了足的运动学特征，为足的运动学测量分析提供了理论与方法基础。 1．3足的动力学测量分析 Vlorton是最早利用复印技术记录足部压力分布的学者，他所设计的运动图像技术，其原理是利用橡胶的弹性把压力转换为相应比例的变形。随后，出现了用铝箔取代墨水和纸张作为复印介质的改进技术。之后通过记录即时压力曲线，并获得足底压力分布的运动图像技术随后开始出现。Elfamu的自动压力计便是这一技术的应用成果，第二代自动压力计使用了显示器和图像处理技术，可以通过黑白或彩色图像进行局部压力分析。此后，研究人员又利用光弹性作为压力转换方式，研制出新的压力显示系统。Cavanagh和Miehiyoshi采用类似的技术，并通过计算机处理得到了足底准三维压力曲线，曲线上各点的纵向坐标值与足底该点处的压力成比例，可以更直观地反映足底压力及其分布状况。近年来，随着计算机和图像处理技术的不断发展，其应用领域不断扩大，足底动态压力分布的测量与分析技术已经广泛应用于足与鞋底的动力学测量。压力板技术多采用力-电转换技术，足底压力被转换为可以方便测量的电信号。从而得到相当精确的结果，但其电延迟性不利于动态研究。而具有较好的精确性、良好的动态响应和较高的灵敏度的压电晶体技术就成为很好的替代，而且，电工学的发展解决了长期困扰该技术的充电泄漏问题，使其成为足底压力测量的有力工具。1．4足的生物力学建模研究足的生物力学建模研究，起初关注的重点是建立足结构的数学模型，通过对足部骨骼解

精讲solidworks有限元分析步骤

2013-08-29 17:31 by:有限元来源:广州有道有限元 1. 软件形式：㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2. 使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。 ▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。

有限元分析报告样本

《有限元分析》报告基本要求： 1. 以个人为单位完成有限元分析计算，并将计算结果上交；（不允许出现相同的分析模型，如相同两人均为不及格） 2. 以个人为单位撰写计算分析报告； 3. 按下列模板格式完成分析报告； 4. 计算结果要求提交电子版，报告要求提交电子版和纸质版。（以上文字在报告中可删除）《有限元分析》报告一、问题描述（要求：应结合图对问题进行详细描述，同时应清楚阐述所研究问题的受力状况和约束情况。图应清楚、明晰，且有必要的尺寸数据。）一个平面刚架右端固定，在左端施加一个y 方向的-3000N 的力P1，中间施加一个Y 方向的-1000N 的力P2，试以静力来分析，求解各接点的位移。已知组成刚架的各梁除梁长外，其余的几何特性相同。横截面积：A=0.0072 m2 横截高度：H=0.42m 惯性矩：I=0.0021028m4ｘ弹性模量： E=2.06ｘ10n/ m2/ 泊松比：u=0.3 二、数学模型（要求：针对问题描述给出相应的数学模型，应包含示意图，示意图中应有必要的尺寸数据；如进行了简化等处理，此处还应给出文字说明。）（此图仅为例题）

三、有限元建模（具体步骤以自己实际分析过程为主，需截图操作过程）用ANSYS 分析平面刚架 1．设定分析模块选择菜单路径：MainMenu—preference 弹出“PRreferences for GUI Filtering”对话框，如图示，在对话框中选取：Structural”,单击[OK]按钮，完成选择。 2．选择单元类型并定义单元的实常数（1）新建单元类型并定（2）定义单元的实常数在”Real Constants for BEAM3”对话框的AREA中输入“0。0072”在IZZ 中输入“0。0002108”，在HEIGHT中输入“0.42”。其他的3个常数不定义。单击[OK]按钮，完成选择 3．定义材料属性在”Define Material Model Behavier”对话框的”Material Models Available”中，依次双击“Structural→Linear→Elastic→Isotropic”如图

有限元分析在口腔生物力学中的应用_黄宇文

中国组织工程研究第16卷第13期 2012–03–25出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research March 25, 2012 Vol.16, No.13 ISSN 1673-8225 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 2423 Department of Stomatology, the First People’s Hospital of Guangzhou, Guangzhou 510180, Guangdong Province, China Huang Yu-wen, Attending physician, Department of Stomatology, the First People’s Hospital of Guangzhou, Guangzhou 510180, Guangdong Province, China yiyuanyisheng@ https://www.360docs.net/doc/316090560.html, Received: 2011-12-10 Accepted: 2012-01-11 广州市第一人民医院口腔科，广东省广州市 510180 黄宇文，男，1972 年生，广州市第一人民医院口腔科，主治医师，主要从事口腔综合、口腔颌面外科方面的研究。yiyuanyisheng@ https://www.360docs.net/doc/316090560.html, 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号: 1673-8225 (2012)13-02423-04 收稿日期：2011-12-10 修回日期：2012-01-11 (20120110005/GW?LX) 有限元分析在口腔生物力学中的应用黄宇文 Application of finite-element analysis in dental biomechanics Huang Yu-wen Abstract BACKGROUND: There are a lot of biomechanical problems in stomatology. Finite element method is an effective tool to numerically simulate the mechanical behavior of human; it has more wide application in the dental biomechanics. OBJECTIVE: To summarize the research progress in the application of finite element method to solve biomechanical problems in orthodontics, prosthodontics, oral implantology, oral and maxillofacial surgery and other fields. METHODS: A computer-based online search of PubMed and VIP databases was performed for articles related to the application of finite element method in dental biomechanics, published between January 1995 and October 2011, with the key words of “finite element analysis (FEA)”, “oral cavity” and “biomechanics” in English and Chinese. RESULTS AND CONCLUSION: The stress analysis of oral cavity structure, shape, load and mechanical properties of materials can be performed using finite element analysis; the stress value and displacement value of any part of the model can be gained and the solving process is rapid and accurate with the aid of a computer. The finite element analysis can reflect the stress distribution objectively, accurately and veritably; it provides the mechanical foundation for the research of relevant basic problems in the stomatology, the solution of clinical practical problems in the stomatology and the technical development of dental clinical practice; it provides reference for the further investigation of treatment of oral disease. Huang YW.Application of finite-element analysis in dental biomechanics. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(13): 2423-2426. [https://www.360docs.net/doc/316090560.html, https://www.360docs.net/doc/316090560.html,] 摘要背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题，有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具，其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。方法：以“有限元分析；口腔；生物力学”为中文关键词，以“finite element analysis (FEA)；oral cavity；biomechanics”为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析，可获得模型任何部位的应力值和位移值，并借助计算机从而快速精确地求解，客观、准确、真实地反映应力的分布状况，为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础，为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。关键词：有限元分析；口腔；生物力学；牙槽；三维 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.033 黄宇文.有限元分析在口腔生物力学中的应用[J].中国组织工程研究，2012，16(13):2423-2426. [https://www.360docs.net/doc/316090560.html, https://www.360docs.net/doc/316090560.html,] 0 引言有限元分析法是一种求解连续介质力学问题的数值方法，起源于航空工程中的矩阵分析[1]。兴起于20世纪50年代末，它将连续的弹性体分割成有限个力学单元，组成单元集合体以代替原来的连续体，通过逐一研究每个单元的性质，从而获得整个弹性体的性质。因为它可以对结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析，可获得模型任何部位的应力值和位移值，并借助计算机从而快速精确地求解，所以近年来被广泛应用于口腔生物力学研究中[2]。有限元分析法能客观、准确、真实地反映应力分布状况。 1 资料和方法 1.1 资料提取策略检索人相关内容：第一作者。检索时间范围：1995-01/2011-10。关键词：中文关键词为“有限元分析；口腔；生物力学”；英文关键词为“finite element analysi(FEA)；oral cavity；biomechanics”。检索数据库：PubMed数据库、维普数据库。 1.2 纳入与排除标准纳入标准：①有限元分析法在口腔正畸中应用的相关文献。②有限元分析法在口腔修复中

有限元法的基本思想及计算步骤

有限元法的基本思想及计算步骤有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为： 1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。 2）单元分析。所谓单元分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。现以三角形单元为例说明单元分析的过程。如图1所示，三角形有三个结点i，j，m。在平面问题中每个结点有两个位移分量u，v和两个结点力分量F x，F y。三个结点共六个结点位移分量可用列

solidworks进行有限元分析的一般步骤

1.软件形式：㈠. SolidWorks的内置形式： ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。㈡. SolidWorks的插件形式： ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。 ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。 ◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。㈢. 单独发行形式： ◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。 2.使用FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法… ①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法： ▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 ②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤： ▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称； ▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。 ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。 ◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有

ANSYS 有限元分析基本流程

第一章实体建模第一节基本知识建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。一、实体造型简介 1．建立实体模型的两种途径 ①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模： ②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2．实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。二、ANSYS的坐标系 ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。 ①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。 ②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。 ③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 ④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1．全局坐标系全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系 (Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。

膝关节生物力学分析问题

膝关节生物力学分析问题膝关节是由股骨踝、胫骨平台、腓骨、髌骨、韧带、半月板、关节软骨、肌肉等共同组成的, 其运动是很复杂的。 1、膝关节承重分析体重负荷下，胫股关节接触力随屈膝角度增大而增加。有资料显示，人体屈膝30o，膝关节承受压力和体重相等，屈膝60o，膝关节压力为体重的4倍，屈膝90o，所承受的压力是体重的6倍。事实上，膝关节所承受的压力不仅与屈膝角度有关，也与身体各部位（躯干、小腿等）的倾斜度有关。试建立数学模型，分析在体重负荷、静止、双脚支撑状况下，胫股关节接触力与屈膝角度、身体各部位倾斜度的关系，确定最大胫股关节接触力及对应的屈膝角度、小腿等的倾斜度。并说明上段说法是否正确（可在一定误差下）。 2、台阶运动对膝关节的影响爬楼梯属于负重运动，上下台阶时下肢各关节的运动幅度、关节负荷以及肌肉活动等均与在平地上静止、行走有差异，膝关节起主要承重和缓冲作用。有资料显示，正常人在爬楼梯时膝关节承受的压力会在瞬间增加3倍。即，

一位体重为70公斤的人在爬楼梯时其两侧膝关节所承受的压力则高达280公斤。同时，爬楼梯速度越快，膝关节承受的压力就越大。考察台阶：长90 cm、宽28 cm、高18 cm，测试者：170cm、70kg，速度：96 步/分。试建立数学模型，分析上下台阶时，胫股关节接触力与上下楼梯时腿部动作、速度等的关系。分析上下楼梯是否有差异、上下楼梯最大膝关节压力各是多少、平均膝关节压力各是多少。并说明上段说法是否正确。 3、运动对膝关节的影响若时间容许的话，请选取步行（例如快步走）、武术（例如太极拳）、球类（例如篮球）、田径（例如跳远）等一个或多个运动项目，对运动对膝关节的影响进行进一步讨论。

膝关节病常用治疗方法

膝关节骨关节病常用治疗方法膝关节骨关节病是以进行性关节软骨丧失为特点的临床常见疾病。关节软骨退变、滑膜增生及慢性炎症是引起关节疼痛和功能障碍的主要原因〔1、2〕。随着人口老龄化进程，本病的发病率日趋增高。本文回顾国内有关文献，就其治疗方法概述如下。 1 关节冲洗术膝关节骨关节病是由于软骨的退变，软骨基质崩解，而导致滑膜炎症；炎症细胞分泌细胞激活因子，促进分解软骨基质中的胶原和蛋白多糖，导致软骨基质丧失，软骨下骨暴露。如此形成恶性循环，病情迁延加重。临床研究表明，用关节冲洗术治疗膝关节骨关节病，可充分引流关节内积液，降低关节内压力；补充钾、钠、钙、镁等电解质，调整渗透压；提高局部免疫机能，有利于炎症的消退；增加对软骨的营养，有利于关节的修复；从而达到阻止软骨基质的分解、中断其恶性循环、限制病症发展和缓解症状的目的〔3～5〕。 2 关节镜清理术大量临床实践说明，滑膜清除术确有消肿、止痛及改善关节功能的作用。利用关节镜可修整成形磨损关节面、修复或切除半月板、松解粘连，以恢复关节内活动结构表面的平整；通过对病理性关节软骨的清除，能刺激具有分化能力的骨原细胞向软骨分化，使软骨面再生修复；不仅对早期骨关节炎具有良好疗效，而且具有创伤小、恢复快、并发症少和可重复等优点，为治疗膝关节骨关节病的理想方法。这种手术，最适合于：①关节活动量不大而又有休息痛或夜间痛的病例；②任何年龄均适用，但以60岁以下为好；③身体不太胖，关节没有畸形者。而以下情况当慎用或不用：①膝关节强直或不稳者；②髌骨位置不正；或膝内翻超过10°以上；或膝外翻超过15 °以上者，均不可单独行此手术；③伴有膝关节急性感染者禁用此手术；④类风湿性关节炎也不宜磨削软骨；⑤身体过于肥胖者；⑥术后不能配合，患者不能休息，不能避免负重者〔6〕。 3 关节软骨修复术研究表明，关节软骨损伤的修复，最初是由软骨下骨组织来填充软骨缺损，继而可能转变为纤维软骨，最终很可能转变为透明软骨。促进软骨再生的方法，包括：①钻孔至软骨下骨； ②磨损退变的软骨并削平其下的骨质；③切除病变的软骨及下面的骨质；④持续被动活动磨除退变的软骨。用软骨下骨钻孔术，可达到纤维软骨性修复。实验证实，软骨下骨钻孔诱导的修复组织起源于有多种功能的松质骨间松质细胞，再由肉芽组织化生。修复组织的深层保持了正常软骨细胞的形态学特征，而表面则为典型的纤维软骨。软骨下骨钻孔术确可促进缺损修复组织的再生，它对局限性全层缺损或部分厚度的广泛缺损，不失为一种理想的简单治疗方法或辅助方法。促进关节软骨修复的手术还有，骨软骨的自体移植、骨软骨的同种移植、软骨膜和骨膜移植、软骨细胞移植、骨软骨多能干细胞移植等。另外，生长因子应用、关节牵引加运动、人工材料基质应用等也见诸报道〔7、8〕。最近，有人介绍利用微创技术即用骨刀在软骨缺损区造成微型骨折，并开放至哈佛氏管以促进软骨的形成〔9〕。此外，实验证实，静脉瘀滞、骨内高压并伴有骨内血气异常是膝关节骨关节病发病的原发因素，并在引起关节疼痛机制中有重要作用。因此，对本病早、中期患者可做关节囊外钻孔术，部分加做胫

Matlab有限元分析操作基础共11页

Matlab有限元分析20140226 为了用Matlab进行有限元分析，首先要学会Matlab基本操作，还要学会使用Matlab进行有限元分析的基本操作。 1. 复习：上节课分析了弹簧系统 x 推导了系统刚度矩阵

2. Matlab有限元分析的基本操作（1）单元划分（选择何种单元，分成多少个单元，标号）（2）构造单元刚度矩阵（列出…）（3）组装系统刚度矩阵（集成整体刚度矩阵）（4）引入边界条件（消除冗余方程）（5）解方程（6）后处理（扩展计算）

3. Matlab有限元分析实战【实例1】

分析：步骤一：单元划分

>>k1=SpringElementStiffness(100)

a) 分析SpringAssemble库函数 function y = SpringAssemble(K,k,i,j) % This function assembles the element stiffness % matrix k of the spring with nodes i and j into the % global stiffness matrix K. % function returns the global stiffness matrix K % after the element stiffness matrix k is assembled. K(i,i) = K(i,i) + k(1,1); K(i,j) = K(i,j) + k(1,2); K(j,i) = K(j,i) + k(2,1); K(j,j) = K(j,j) + k(2,2); y = K; b) K是多大矩阵？今天的系统刚度矩阵是什么？因为 11 22 1212 k k k k k k k k - ?? ?? - ????--+ ?? 所以 1000100 0200200 100200300 - ?? ?? - ????-- ??？

防患于未然教你如何正确预防膝关节疾病

防患于未然教你如何正确预防膝关节疾病膝关节骨性关节炎是指由于膝关节软骨变性、骨质增生而引起的一种慢性骨关节疾患，又称为膝关节增生性关节炎、退行性关节炎及骨性关节病等。本病多发生于中老年人，也可发生青年人；可单侧发病，也可双侧发病。成因：慢性劳损：长期姿势不良，负重用力，体重过重，导致膝关节软组织损伤。肥胖：体重的增加和膝关节骨性关节炎的发病成正比。肥胖亦病情加重的因素。肥胖者的体重下降则可以减少膝关节骨性关节炎的发病。骨密度：当软骨下骨小梁变薄、变僵硬时，其承受压力的耐受性就减少，因此，在骨质疏松者出现骨性关节炎的几率就增多。外伤和局部压力：经常的膝关节损伤，如骨折、软骨、韧带的损伤。异常状态下的关节，如在髌骨切除术后环节处于不稳定状态时，当关节承受肌力不平衡并加上局部压力，就会出现软骨的退行性变。正常的关节和活动甚至剧烈运动后是不会出现骨性关节炎的。遗传因素：不同种族的关节受累情况是各不相同的，如髋关节、腕掌关节的骨性关节炎在白种人多见，但有色人种及国人中少见，性别亦有影响，本病在女性较多见。如何预防：

1. 保持正确的站姿、走姿，避免高低肩，头前倾，驼背，膝盖超伸等； 2. 控制体重； 3.加强膝关节周围肌肉力量锻炼；十字韧带损伤十字韧带是膝关节的主要稳定结构，因而在膝关节受外伤时容易发生损伤，全面了解韧带损伤的程度、部位以及合并症，尤其是前交叉韧带（ACL）损伤的及时诊断，将严重影响患者的预后。关节镜检查虽然准确性高，但有创伤性，MRI是一种准确而有效的、无创伤性评价韧带损伤的方法，目前已应用于诊断膝关节韧带损伤。膝关节内有前、后十字韧带（又称交叉韧带），前十字韧带起自胫骨髁间隆起的前方，向后、上、外止于股骨外髁的内面；后十字韧带起自胫骨髁间隆起的后方、向前、上、内止于股骨内踝的外面，膝关节不论伸直或屈曲，前后十字韧带均呈紧张状态，前十字韧带可防止胫骨向前移动，后十字韧带可防止胫骨向后移动。成因：暴力使膝关节过伸或过度外展可引起膝关节前十字韧带损伤。如屈膝时，外力从前向后加于股骨，或外力从后向前撞击胫骨上端，均可引起前十字韧带断裂。膝关节前脱位常由于过伸引起，必然伤及前十字韧带。如为过度外展引起，可同时发生内侧付韧带断裂，前十字韧带损伤合并内侧半月板损伤也较常见。屈膝时，外力从前向后撞击胫骨

有限元分析及其应用思考题附答案2012

有限元分析及其应用-2010 思考题： 1、有限元法的基本思想是什么？有限元法的基本步骤有那些？其中“离散”的含义是什么？是如何将无限自由度问题转化为有限自由度问题的？答：基本思想：几何离散和分片插值。基本步骤：结构离散、单元分析和整体分析。离散的含义：用假想的线或面将连续物体分割成由有限个单元组成的集合，且单元之间仅在节点处连接，单元之间的作用仅由节点传递。当单元趋近无限小，节点无限多，则这种离散结构将趋近于实际的连续结构。 2、有限元法与经典的差分法、里兹法有何区别？区别：差分法：均匀离散求解域，差分代替微分，要求规则边界，几何形状复杂精度较低；里兹法：根据描述问题的微分方程和相应的定解构造等价的泛函表达式，求得近似解；有限元：基于变分法，采用分片近似进而逼近总体的求解微分方程的数值计算方法。 3、一根单位长度重量为q的悬挂直杆，上端固定，下端受垂直向下的外力P，试 1）建立其受拉伸的微分方程及边界条件； 2）构造其泛函形式； 3）基于有限元基本思想和泛函求极值构造其有限元的计算格式（即最小势能原理）。4、以简单实例为对象，分别按虚功原理和变分原理导出有限元法的基本格式（单元刚度矩阵）。 5、什么是节点力和节点载荷？两者有何区别？答：节点力：单元与单元之间通过节点相互作用节点载荷：作用于节点上的外载 6、单元刚度矩阵和整体刚度矩阵各有何特点？其中每个矩阵元素的物理意义是什么（按自由度和节点解释）？答：单元刚度矩阵：对称性、奇异性、主对角线恒为正整体刚度矩阵：对称性、奇异性、主对角线恒为正、稀疏性、带状性。 Kij，表示j节点产生单位位移、其他节点位移为零时作用i节点的力，节点力等于节点位移与单元刚度元素乘积之和。 7、单元的形函数具有什么特点？有哪些性质？答：形函数的特点：Ni为x，y的坐标函数，与位移函数有相同的阶次。形函数Ni在i节点的值为1，而在其他节点上的值为0；单元内任一点的形函数之和恒等于1；形函数的值在0~1间变化。 8、描述弹性体的基本变量是什么？基本方程有哪些组成？答：基本变量：外力、应力、应变、位移基本方程：平衡方程、几何方程、物理方程、几何条件 9、何谓应力、应变、位移的概念？应力与强度是什么关系？答：应力：lim△Q/△A=S △A→0 应变：物体形状的改变位移：弹性体内质点位置的变化 10、问题的微分方程提法、等效积分提法和泛函变分提法之间有何关系？何谓“强形式”？何谓“弱形式”，两者有何区别？建立弱形式的关键步骤是什么？

常见膝关节疼痛简单判断

常见膝关节疼痛的简单判断膝关节疼痛也许是所有关节中最难诊断的病症之一。它不仅涉及到关节内的各种病损，也常因各种关节外因素引起，因而确定膝关节疼痛的病因是对关节外科医师的一种挑战。也正因为半数以上的膝关节疼痛并非由关节内病损所引起，所以对关节镜外科医师来讲，如何通过术前详细的病史询问和系统的体格检查，对关节疼痛的病因有初步的甄别，显得尤其重要。这样既可减少关节镜检查的盲目性，也可提高关节镜手术的疗效。病史术前详细询问病史是诊断任何疾病的重要步骤。膝关节部位产生的症状往往不具有特异性。如疼痛、打软腿、关节交锁等症状，既可以因为交叉韧带、半月板损伤引起，也可以因为髌股关节异常、关节软骨病变引起，甚至可能仅因为异常增生滑膜的嵌顿而引起。另外，因为膝关节外的病因可引起或表现为膝关节疼痛，应注意关节外症状的询问，如可能引起膝后痛感的腰部，以及可能引起膝内侧症状的髋部等等。引起膝关节症状的原因常具有提示性。外伤性原因往往意味着关节内外稳定结构及其它关节内结构的损伤，劳损性原因常常提示肌肉肌腱止点病，退变性原因的意义则更加明了。具体的受伤机制在诊断膝关节稳定结构损伤时很有价值。过屈位损伤常常涉及后交叉韧带，过伸位损伤可能先后造成前、后交叉韧带损伤，内旋内翻常造成外侧韧带复合结构和前交叉韧带的损伤，外旋外翻则易造成内侧韧带复合结构和前交叉韧带的损伤，各种不同方向的撞击伤常意味着相应阻滞结构的破坏。半月板损伤也常与膝部的旋转活动有关。发病或受伤时间在膝关节疼痛的诊断中也具有重要意义。半月板损伤在急性期有典型的症状和体征，但是在转为陈旧性以后可能仅有打软腿和关节内异物嵌夹的感觉，对诊断造成困难；前交叉韧带损伤在早期可能仅有关节不稳定的感觉，当产生较为复杂的痛感时，就意味着关节软骨、半月板和辅助的关节稳定结构的进一步损伤；轻度的后交叉韧带损伤在早期由于股四头肌的代偿一般无特殊不适，但当出现膝前痛时常意味着髌股关节的严重退变。另外，发病或受伤时间在决定膝关节疾病的治疗方案中也具有重要意义。损伤的半月板是否要修补，修补的难易程度如何，根据受伤时间可以有一定的评估；急性期的前交叉韧带损伤伴内侧副韧带损伤应当行保守治疗，在内侧副韧带的愈合期过后则可以行前交叉韧带的重建；急性期的前交叉韧带或后交叉韧带损伤伴后外侧角损伤应当尽早行所有受损韧带结构的修补或重建。体检膝关节的体检较为复杂，一种损伤或病变可能有不同的检查方法。在这里我们不想罗列各种方法，只想叙述平时最常用的、我们认为最具有诊断价值的体检手段，对其具体检查过程、意义进行分析。对于膝关节外科医师来讲，在日常诊疗中，形成自己的一套较为系统的检测程序非常重要。一、膝关节力线——站立位脱鞋平地站立，尽可能使踝关节和膝关节并拢，了解膝关节轴线。正常膝关节的解剖轴线（FTA）有5°-7°的外翻角，机械轴线则为0°，即股骨头中心、膝关节中心和踝关节中心呈一直线。在一般体检中，主要大致了解膝关节的机械轴线。正常情况下膝关节能够并拢，双踝之间应当有4-6cm间距。如果膝关节不能并拢则意味着膝内翻，如果踝关节间距过大则说明膝外翻，内外翻角度通过目测进行估算。