人体损伤生物力学实验指导书

人体损伤生物力学 实验指导书 湖南大学机械与运载工程学院 实验一 冲击力模拟实验 一、实验目的和任务 通过开展冲击力仿真实验， 学习基于 LS-DYNA 的有限元基本分 析流程和方法，具体包括： 1. 对 HYPERMESH 和 HYPERVIEW （或 LS-PREPOST） 等前后 处理软件的使用； 2. 掌握保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题； 3. 掌握模型调试方法； 4. 体会不同材料、高度、速度对冲击力的影响。 二、实验仪器和设备 软件： LS-DYNA、 HYPERMESH、 HYPERVIEW （或LS-PREPOST） 。 硬件：计算机。 三、实验步骤 1、模型提交计算与后处理 1) 根据提供的初始模型，对文件进行求解计算。 2) 查看完成计算所需的时间，ctrl+C，sw2。 3) 查看仿真动画。 4) 分析该 K 文件的单位制（mm，ms，kg，kN，GPa） 。 2、有限元模型的质量缩放与能量问题 1) 设置输出各种能量，*CONTROL_ENERGY。 2) 为提高计算效率，增加质量缩放，*CONTROL_TIMESTEP， DT2MS：-1.112E-06 改为-1.112E-03，再改为-1.112E-02，并 分别查看并记录所需计算时间，分析该参数对计算效率的影 响。讨论如何设置 DT2MS 的值。 3) 查看计算获得的 message 文件，记录不同 DT2MS 设置下的 质量缩放所引起的质量增加量及百分比。 4) 输出总能量、动能、内能和沙漏能（DT2MS：-1.112E-06） ， 根据曲线分析能量转换。 3、输出并分析橡胶垫的冲击力 1) 查阅橡胶的材料。 2) 查阅车架、撑板、销轴和冲击头的材料。 3) 输出冲击头处的冲击力，Contact_mass（CID：1） 。 4) 输出两根连接销轴的四处接触力，Contact_chejia_zhou_L （CID:3） 、Contact_chejia_zhou_R（CID:4） 、 Contact_chengban_zhou_L （CID:5） / Contact_chengban_zhou_R （CID:6） 。 5) 找出系统的最大应力及其出现的位置。 4、下落高度对冲击力的影响 1) 修改冲击头距离橡胶垫的高度，初始值为 5mm，分别修改为 2mm、10mm 和 15mm。 2) 计算不同高度下落对冲击力的影响。 3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。 5、输出并分析金属的冲击力 1) 将橡胶垫的材料改为金属材料，可选用钢（206GPa ） 、铜 （121GPa）铝（72GPa） ，使用 MAT1 进行定义。 2) 不采用质量缩放，分别计算冲击力（CID：1） ，对比上述材 料与橡胶材料对冲击力的影响。 3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。 6、定义冲击头的速度（附加题） 1) 上述仿真分析采用的是自由落体，现将冲击头距离橡胶垫的 距离调为 1mm， 设定冲击头的初速度， 分别为 0.01m/s， 0.1m/s 和 1m/s（取消重力加速度） 。 2) 分析不同初速度对冲击力的影响。 3) 找出系统的最大应力及其出现的位置。 四、实验报告的基本内容和要求 1、实验设备和条件 2、实验内容 3、实验过程 4、实验数据（对于冲击力，需要给出曲线并分析对比最大力； 能量曲线等） 5、实验结果分析及结论 实验二 成人头锤冲击实验 一、实验目的和任务 通过开展成人头锤冲击仿真实验， 继续学习基于 LS-DYNA 的有 限元基本分析流程和方法，并掌握行人头锤仿真方法，具体包括： 1. 对 HYPERMESH 和 HYPERVIEW （或 LS-PREPOST） 等前后 处理软件的使用； 2. 熟悉保证仿真精度必须关注能量和质量缩放问题； 3. 熟悉模型调试方法； 4. 掌握行人头锤有限元模型及其使用方法。 二、实验仪器和设备 软件： LS-DYNA、 HYPERMESH、 HYPERVIEW （或LS-PREPOST） 。 硬件：计算机、优盘。 三、实验步骤 1、模型提交计算与后处理 1) 根据提供的初始模型，对文件进行求解计算。 2) 查看完成计算所需的时间，ctrl+C，sw2。 3) 查看仿真动画。 4) 分析该 K 文件的单位制（mm，T，s，N，MPa） 。 2、掌握行人头锤有限元模型的结构 3、有限元模型的质量缩放与能量问题 1) 设置输出各种能量，*CONTROL_ENERGY。 2) 为提高计算效率，设置合理的质量缩放参数，并分别查看并 记录所需计算时间， 保证质量增加不超过模型物理质量的 5%。 3) 选定合理的质量缩放参数后， 计算模型并输出总能量、 动能、 内能和沙漏能，根据曲线分析能量转换。 4、输出并分析头锤的冲击力 1) 查阅平板的材料。 2) 查阅头锤橡胶的材料。 3) 输出头锤的冲击力，SlaveContact_Hood。 4) 对冲击力进行滤波。 5、输出并分析头锤质心的合成位移、速度和加速度 1) 打开计算得到的 nodout 文件，按照要求输出各条曲线。 2) 分析各条曲线。 6、改变 Hood 板的角度分析合成冲击力和加速度 1) 在 Hypermesh 中修改 Hood 板的角度。 2) 输出合成冲击力和合成加速度，并与原结果进行对比。 7、头锤自由落体改为定义初速度（附加题） 1) 删除原文件的定义的重力加速度。 2) 调整头锤和 Hood 板的距离，使两者仅留有很小的间隙。 3) 对头锤定义面向 Hood 板冲击的初速度 9.7m/s。 4) 输出冲击力和头锤质心的合成加速度。 5) 计算头锤的 HIC 值（要求曲线横坐标单位为 s，纵坐标单位 为 g） 四、实验报告的基本内容和要求 1、实验设备和条件 2、实验内容 3、实验过程 4、实验数据 5、实验结果分析及结论 实验三 成人胫骨有限元模型验证实验 一、实验目的和任务 通过开展有限元模型的验证实验，继续学习 LS-DYNA 的使用， 掌握有限元模型验证的基本方法。 二、实验仪器和设备 软件： LS-DYNA、 HYPERMESH、 HYPERVIEW （或LS-PREPOST） 。 硬件：计算机、优盘。 三、实验步骤 1、动态验证所依据的试验 Kerrigan et al（2003）的生物力学实验对人体胫骨进行了动态三 点弯曲试验。该生物力学实验不仅进行了胫骨中部的冲击实验，还进 行了胫骨近心端和远心端 1/3 处的冲击实验。首先将胫骨的两端装入 金属方盒中，并用刚性聚亚安酯泡沫将长骨塞实，胫骨每端的塞入长 度约为 7.3cm。胫骨的外侧朝上，内侧朝下。每个金属方盒下方固结 一个弧形金属板，将其放置在金属平板上，并在平板与弧形板间涂润 滑油，以降低弯曲过程中由两端的接触力所产生的弯矩阻力，最大限 度地降低边界条件对长骨的生物力学响应的影响。 在冲击块和支撑板处分别设置一个力传感器， 测量实验过程中的 冲击力和长骨两端的支撑力。冲击块的宽度为 12.7mm，其前端圆柱 直径为 12.7mm。 为减小碰撞位置的应力集中， 在胫骨的弯曲试验中， 冲击块前端包裹了一层厚 25mm 的 Confo