人体腰椎生物力学模型及损伤参数敏感性分析(6)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】综上所述,韧带松弛区的考虑影响了腰椎在轴向冲击下的响应,包括腰椎最大主应变峰值和峰值时刻的早晚。松弛区是腰椎韧带中真实存在的区域,不考虑
综上所述,韧带松弛区的考虑影响了腰椎在轴向冲击下的响应,包括腰椎最大主应变峰值和峰值时刻的早晚。松弛区是腰椎韧带中真实存在的区域,不考虑韧带松弛区会低估腰椎椎体的最大主应变峰值,因此对韧带松弛区的考虑有助于提高腰椎的生物逼真度,从而对腰椎椎体的最大主应变进行更为准确的预测。
2.2 腰椎曲率的影响
弯曲腰椎和直立腰椎的0.5 m/s的轴向冲击速度下的损伤响应曲线如图19所示。在0.5 m/s的冲击速度下,弯曲腰椎的最大主应变明显小于直立腰椎的最大主应变,弯曲腰椎轴向力峰值也比直立腰椎轴向力峰值小。
图19 不同腰椎曲率下腰椎最大主应变和轴向力曲线对比Fig.19 Comparison of maximum main strains and axial force under different lumbar curvatures
弯曲腰椎的最大主应变发生在48 ms,腰椎椎体最大主应变为0.70%,直立腰椎的最大主应变发生在80 ms,腰椎椎体的最大主应变为0.87%。
弯曲腰椎的最大轴向力发生在66 ms,腰椎最大轴向力为1.60 kN,直立腰椎的最大轴向力发生在63 ms,腰椎椎体的最大主应变为1.75 kN。
综上,汽车碰撞中人体受到轴向冲击时,腰椎姿态为弯曲姿态时,人体腰椎最大主应变峰值和轴向力峰值都会降低,因此在对乘员腰椎进行保护时,可以考虑通过匹配乘员约束系统参数使得人体腰椎姿态为弯曲腰椎姿态,从而实现乘员腰椎保护的目的。
3 结论
在腰椎有限元模型的建立中将韧带简化为不可失效的一维弹性体材料,不能真实反映人体腰椎的运动学和动力学响应。本研究通过处理已发表的实验数据,拟合出韧带的生物力学曲线,考虑了韧带的松弛区、线性区和失效区的载荷位移特性,还考虑了韧带应变率对韧带载荷曲线的影响,保证了腰椎韧带的生物力学特性,并将其输入腰椎有限元模型。通过建立轴向冲击平台模拟腰椎在正面碰撞中的响应,对比腰椎韧带在不同刚度下的腰椎损伤风险,发现韧带刚度越小,椎体发生失效的风险越高。对比不考虑韧带松弛区和考虑了韧带松弛区的仿真中腰椎最大主应变峰值,发现考虑韧带松弛区的腰椎模型损伤风险明显高于不考虑松弛区长度的腰椎模型。对比不考虑韧带失效区和考虑了韧带失效区的仿真中腰椎最大主应变峰值,发现考虑韧带失效区的腰椎模型损伤风险明显高于不考虑失效区长度的腰椎模型。对比不同冲击速度下的腰椎损伤的响应的差异,发现在高冲击速度工况下,韧带受到损伤的风险更大。因此在有限元仿真中应重视韧带生物力学行为并保持其完整性。在承受垂直载荷时,直立腰椎相比于弯曲腰椎承受更大的轴向力,随着冲击速度增加腰椎受到的轴向力与最大主应变有明显提高。直立腰椎在正面碰撞中垂直冲击载荷工况中有更高的损伤风险,这有助于指导乘员约束系统的设计。
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文章来源:《医用生物力学》 网址: http://www.yyswlx.cn/qikandaodu/2021/0417/390.html