人体腰椎生物力学模型及损伤参数敏感性分析(5)
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【摘要】图15 不同腰椎韧带刚度下的最大主应变对比Fig.15 Comparison of maximum principal strains under various lumbar ligament stiffnesses 3种韧带刚度下,腰椎椎体的最大主应变随着
图15 不同腰椎韧带刚度下的最大主应变对比Fig.15 Comparison of maximum principal strains under various lumbar ligament stiffnesses
3种韧带刚度下,腰椎椎体的最大主应变随着时间的变化曲线具有4个明显的峰值(45、65、80和95 ms)。在这4个峰值时刻,刚度降低30%的腰椎椎体最大主应变大于基准模型中的腰椎椎体最大主应变,刚度比基准模型刚度高30%的腰椎椎体的最大主应变是最小的。以65 ms左右为例,腰椎最大主应变达到峰值,低刚度模型中腰椎椎体最大主应变高达0.82%,基准模型中最大主应变为0.75%,高刚度模型中最大主应变为0.70%。因此腰椎韧带刚度降低,乘员腰椎最大主应变明显增大。
不同人体之间的韧带刚度值具有一定的差异。在其他条件一致的情况下,韧带刚度越低,腰椎椎体的最大主应变越大,因此在汽车乘员保护数值研究过程中,建立不同体征参数的人体韧带模型时,应当赋予其准确的韧带刚度参数,才可以对乘员腰椎损伤进行更为准确的预测。
对比考虑韧带失效区和不考虑失效区的腰椎椎体平均最大主应变的差异,结果见图16。
(a)低刚度时有失效区和无失效区的仿真结果(b)高刚度时有失效区和无失效区的仿真结果图16 考虑失效对腰椎最大主应变的影响Fig.16 Effects of considering failure on maximum principal strains
在低刚度工况中,50 ms之前考虑韧带失效区和不考虑韧带失效区的曲线基本吻合,50 ms之后两条曲线的差异开始出现。考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现在82 ms,为0.93%,不考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现在64 ms,为0.91%。考虑腰椎韧带失效区的腰椎最大主应变略高于不考虑韧带失效区的最大主应变。
在高刚度工况中,50 ms之前考虑韧带失效区和不考虑韧带失效区的曲线基本吻合,50 ms之后两条曲线的差异开始出现。考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现在82 ms,为0.98%,不考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现在64 ms,为0.92%。考虑腰椎韧带失效区的腰椎最大主应变高于不考虑韧带失效区的最大主应变。
两种刚度工况下,考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现时刻都晚于不考虑韧带失效区的腰椎最大主应变。不考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现时刻为64 ms,考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现时刻为82 ms。
结果表明,在韧带刚度相同情况下,考虑韧带失效行为的腰椎模型最大主应变明显高于不考虑韧带失效行为的腰椎最大主应变,简单地将韧带简化为不可失效的弹簧单元进行仿真会低估腰椎的最大主应变值,因此在腰椎有限元仿真中应该对于韧带失效行为给予重视,考虑韧带失效行为有助于提高预测腰椎损伤的准确度。
为研究腰椎韧带应变率对于腰椎动态响应的影响,分别将1.0 m/s和1.5 m/s冲击初速度的模型置于仿真平台上。结果表明,冲击初速度为1.5 m/s的腰椎最大主应变高于初速度为1.0 m/s的腰椎最大主应变(见图17)。60 ms左右,冲击初速度为1.5 m/s的冲击工况中腰椎平均最大主应变出现急剧的增加(从0.78%骤增到0.93%),此值远高于冲击初速度为1 m/s工况中的腰椎平均最大主应变(0.78%)。80 ms左右,两种工况中的腰椎最大主应变峰值差异不大,1.5 m/s工况中的腰椎最大主应变(0.98%)略高于1.0 m/s冲击工况中的腰椎最大主应变(0.94%)。
图17 不同冲击速度下腰椎最大主应变对比Fig.17 Comparison of maximum principal strains under diffe-rent impact velocity
随着冲击初速度增加,腰椎最大主应变峰值增加,因此正面碰撞中减小腰椎轴向冲击初速度是保护腰椎的方法之一。
将考虑韧带松弛区域和不考虑韧带松弛区的腰椎有限元模型加载于仿真平台中。
如图18所示,在韧带刚度保持相同的情况下,考虑松弛区的腰椎有限元模型最大主应变高于不考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变。
(a)低刚度时有松弛区和无松弛区的仿真结果(b)高刚度时有松弛区和无松弛区的仿真结果图18 考虑韧带松弛区和不考虑松弛区的工况中腰椎最大主应变的对比Fig.18 Comparison of maximum principal strains under conditions with or without considering ligament slack
在低刚度韧带的腰椎模型中,考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变峰值出现在82 ms,峰值为0.92%;不考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变峰值出现在62 ms,峰值为0.96%。在高刚度韧带的腰椎模型中,考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变峰值出现在82 ms,峰值为0.98%;不考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变峰值出现在68 ms,峰值为0.88%。同时,两种刚度工况下,考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变峰值出现时刻都晚于不考虑韧带松弛区的腰椎最大主应变。考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现时刻为82 ms左右,不考虑韧带失效区的腰椎最大主应变峰值出现时刻为60~70 ms。
文章来源:《医用生物力学》 网址: http://www.yyswlx.cn/qikandaodu/2021/0417/390.html