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有限元分析在生物力學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛，用于模擬沖擊、碰撞等較短時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)過程的顯式求解方法也越來越受到重視。目前此種求解方法主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)的瞬時(shí)沖擊，交通工具對人體不同部位的撞擊跌倒，瞬間股骨近端和骨盆等所受沖擊以及運(yùn)動(dòng)中足部結(jié)構(gòu)所受沖擊等方面，對理解動(dòng)態(tài)過程中各部位的受力狀態(tài)及致傷機(jī)制有重要作用。對于模擬生物體在沖擊狀態(tài)下的受力情況研究，目前較多關(guān)注于相關(guān)骨與關(guān)節(jié)的力學(xué)分布狀態(tài)，而對于其周圍起重要力傳遞作用的皮膚及皮下組織的FEA模擬精確性關(guān)注較少。軟組織抗壓機(jī)械性能模擬的準(zhǔn)確性將直接影響整體模型FEA結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要對皮膚及皮下組織的FEA相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)定，并對其FEA模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。
本研究以常用的FEA軟件為工作平臺(tái)，以足跟部皮膚(皮下組織復(fù)合體作為實(shí)驗(yàn)對象，對其抗壓機(jī)械性能進(jìn)行測定，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對軟組織的FEA相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對FEA模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為相關(guān)研究提供有效的軟組織FEA參數(shù)計(jì)算方法；并介紹如何優(yōu)化參數(shù)以提高計(jì)算準(zhǔn)確度，為相關(guān)人體沖擊的FEA研究提供參考。
利用超彈性材料屬性定義軟組織時(shí)，在高壓縮率情況下，軟組織的有效剛度與體外實(shí)驗(yàn)相比偏小，這在本實(shí)驗(yàn)以等的研究中均可觀察到。簡化的 FEA 模型和使用具有標(biāo)準(zhǔn)化性質(zhì)的名義應(yīng)力及名義應(yīng)變計(jì)算材料參數(shù)可能是造成此問題的主要原因。
軟組織中液體含量較大且近似具有不可壓縮材料特性，所以將模型賦予各向同性特性超彈性材料屬性是目前FEA中對軟組織常用的簡化方法。利用現(xiàn)有軟件所定義的超彈性材料本構(gòu)方程對軟組織進(jìn)行定義，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的軟組織抗壓縮性能所獲取材料參數(shù)對模型進(jìn)行賦值運(yùn)算是當(dāng)前軟組織FEA 模擬中的常用做法。此方法可獲取與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下具有相同走行趨勢的 FEA 輸出結(jié)果，具有較好的模擬性能，但其 FEA 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性卻有待提高。
本實(shí)驗(yàn)對皮膚(皮下組織復(fù)合體進(jìn)行軟組織單軸壓縮性能測試，與橡膠等超彈性材料測試主要利用單軸和雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)不同，這主要與軟組織的具體性質(zhì)有關(guān)。一方面，對軟組織進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)較困難; 另一方面，軟組織脂肪含量豐富，在壓縮過程中接觸面的摩擦阻力對材料性能幾乎不造成影響，故本實(shí)驗(yàn)選擇單軸壓縮實(shí)驗(yàn)對軟組織材料性質(zhì)進(jìn)行測試。在模擬脂肪等結(jié)締組織的超彈性材料屬性時(shí)，多用二階的polyminan非線性超彈性模型。本實(shí)驗(yàn)證明，利用功能進(jìn)行超彈性材料參數(shù)計(jì)算和曲線估計(jì)時(shí)，二階 polyminan擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線幾乎完全重合，說明應(yīng)用此種模型的合理性。
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