1、人體損傷生物力學實驗指導書湖南大學機械與運載工程學院實驗一 沖擊力模擬實驗一、實驗目的和任務通過開展沖擊力仿真實驗，學習基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法，具體包括：1. 對HYPERMESH和HYPERVIEW（或LS-PREPOST）等前后處理軟件的使用；2. 掌握保證仿真精度必須關注能量和質(zhì)量縮放問題；3. 掌握模型調(diào)試方法；4. 體會不同材料、高度、速度對沖擊力的影響。二、實驗儀器和設備軟件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：計算機。三、實驗步驟1、模型提交計算與后處理1) 根據(jù)提供的初始模型，對文件進行求解計算。2) 查

2、看完成計算所需的時間，ctrl+C，sw2。3) 查看仿真動畫。4) 分析該K文件的單位制（mm，ms，kg，kN，GPa）。2、有限元模型的質(zhì)量縮放與能量問題1) 設置輸出各種能量，*CONTROL_ENERGY。2) 為提高計算效率，增加質(zhì)量縮放，*CONTROL_TIMESTEP，DT2MS：-1.112E-06改為-1.112E-03，再改為-1.112E-02，并分別查看并記錄所需計算時間，分析該參數(shù)對計算效率的影響。討論如何設置DT2MS的值。3) 查看計算獲得的message文件，記錄不同DT2MS設置下的質(zhì)量縮放所引起的質(zhì)量增加量及百分比。4) 輸出總能量、動能、內(nèi)能和沙漏能（

3、DT2MS：-1.112E-06），根據(jù)曲線分析能量轉(zhuǎn)換。3、輸出并分析橡膠墊的沖擊力1) 查閱橡膠的材料。2) 查閱車架、撐板、銷軸和沖擊頭的材料。3) 輸出沖擊頭處的沖擊力，Contact_mass（CID：1）。4) 輸出兩根連接銷軸的四處接觸力，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) 找出系統(tǒng)的最大應力及其出現(xiàn)的位置。4、下落高度對沖擊力的影響1) 修改沖擊頭距離橡膠墊的高度，初始

4、值為5mm，分別修改為2mm、10mm和15mm。2) 計算不同高度下落對沖擊力的影響。3) 找出系統(tǒng)的最大應力及其出現(xiàn)的位置。5、輸出并分析金屬的沖擊力1) 將橡膠墊的材料改為金屬材料，可選用鋼（206GPa）、銅（121GPa）鋁（72GPa），使用MAT1進行定義。2) 不采用質(zhì)量縮放，分別計算沖擊力（CID：1），對比上述材料與橡膠材料對沖擊力的影響。3) 找出系統(tǒng)的最大應力及其出現(xiàn)的位置。6、定義沖擊頭的速度（附加題）1) 上述仿真分析采用的是自由落體，現(xiàn)將沖擊頭距離橡膠墊的距離調(diào)為1mm，設定沖擊頭的初速度，分別為0.01m/s，0.1m/s和1m/s（取消重力加速度）。2) 分析

5、不同初速度對沖擊力的影響。3) 找出系統(tǒng)的最大應力及其出現(xiàn)的位置。四、實驗報告的基本內(nèi)容和要求1、實驗設備和條件2、實驗內(nèi)容3、實驗過程4、實驗數(shù)據(jù)（對于沖擊力，需要給出曲線并分析對比最大力；能量曲線等）5、實驗結(jié)果分析及結(jié)論實驗二 成人頭錘沖擊實驗一、實驗目的和任務通過開展成人頭錘沖擊仿真實驗，繼續(xù)學習基于LS-DYNA的有限元基本分析流程和方法，并掌握行人頭錘仿真方法，具體包括：1. 對HYPERMESH和HYPERVIEW（或LS-PREPOST）等前后處理軟件的使用；2. 熟悉保證仿真精度必須關注能量和質(zhì)量縮放問題；3. 熟悉模型調(diào)試方法；4. 掌握行人頭錘有限元模型及其使用方法。二、

6、實驗儀器和設備軟件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：計算機、優(yōu)盤。三、實驗步驟1、模型提交計算與后處理1) 根據(jù)提供的初始模型，對文件進行求解計算。2) 查看完成計算所需的時間，ctrl+C，sw2。3) 查看仿真動畫。4) 分析該K文件的單位制（mm，T，s，N，MPa）。2、掌握行人頭錘有限元模型的結(jié)構(gòu)3、有限元模型的質(zhì)量縮放與能量問題1) 設置輸出各種能量，*CONTROL_ENERGY。2) 為提高計算效率，設置合理的質(zhì)量縮放參數(shù)，并分別查看并記錄所需計算時間，保證質(zhì)量增加不超過模型物理質(zhì)量的5%。3) 選定合理的質(zhì)量縮放參數(shù)后，

7、計算模型并輸出總能量、動能、內(nèi)能和沙漏能，根據(jù)曲線分析能量轉(zhuǎn)換。4、輸出并分析頭錘的沖擊力1) 查閱平板的材料。2) 查閱頭錘橡膠的材料。3) 輸出頭錘的沖擊力，SlaveContact_Hood。4) 對沖擊力進行濾波。5、輸出并分析頭錘質(zhì)心的合成位移、速度和加速度1) 打開計算得到的nodout文件，按照要求輸出各條曲線。2) 分析各條曲線。6、改變Hood板的角度分析合成沖擊力和加速度1) 在Hypermesh中修改Hood板的角度。2) 輸出合成沖擊力和合成加速度，并與原結(jié)果進行對比。7、頭錘自由落體改為定義初速度（附加題）1) 刪除原文件的定義的重力加速度。2) 調(diào)整頭錘和Hood板

8、的距離，使兩者僅留有很小的間隙。3) 對頭錘定義面向Hood板沖擊的初速度9.7m/s。4) 輸出沖擊力和頭錘質(zhì)心的合成加速度。5) 計算頭錘的HIC值（要求曲線橫坐標單位為s，縱坐標單位為g）四、實驗報告的基本內(nèi)容和要求1、實驗設備和條件2、實驗內(nèi)容3、實驗過程4、實驗數(shù)據(jù)5、實驗結(jié)果分析及結(jié)論實驗三 成人脛骨有限元模型驗證實驗一、實驗目的和任務通過開展有限元模型的驗證實驗，繼續(xù)學習LS-DYNA的使用，掌握有限元模型驗證的基本方法。二、實驗儀器和設備軟件：LS-DYNA、HYPERMESH、HYPERVIEW（或LS-PREPOST）。硬件：計算機、優(yōu)盤。三、實驗步驟1、動態(tài)驗證所依據(jù)的試

9、驗Kerrigan et al（2003）的生物力學實驗對人體脛骨進行了動態(tài)三點彎曲試驗。該生物力學實驗不僅進行了脛骨中部的沖擊實驗，還進行了脛骨近心端和遠心端1/3處的沖擊實驗。首先將脛骨的兩端裝入金屬方盒中，并用剛性聚亞安酯泡沫將長骨塞實，脛骨每端的塞入長度約為7.3cm。脛骨的外側(cè)朝上，內(nèi)側(cè)朝下。每個金屬方盒下方固結(jié)一個弧形金屬板，將其放置在金屬平板上，并在平板與弧形板間涂潤滑油，以降低彎曲過程中由兩端的接觸力所產(chǎn)生的彎矩阻力，最大限度地降低邊界條件對長骨的生物力學響應的影響。在沖擊塊和支撐板處分別設置一個力傳感器，測量實驗過程中的沖擊力和長骨兩端的支撐力。沖擊塊的寬度為12.7mm，其

10、前端圓柱直徑為12.7mm。為減小碰撞位置的應力集中，在脛骨的彎曲試驗中，沖擊塊前端包裹了一層厚25mm的ConforTM泡沫。在試驗時，首先將沖擊塊緩慢接觸到脛骨外側(cè)面，并保證有一個很小的初始接觸力，然后將沖擊塊在15mm的距離內(nèi)加速到1.21.5m/s，此后以恒定的速度對脛骨加載。脛骨實驗中沖擊塊的速度約為1.45m/s。 2、脛骨驗證有限元模型該模型模擬脛骨中部從外側(cè)向內(nèi)側(cè)的撞擊，整個有限元模型如上圖所示，已經(jīng)包含了生物力學實驗中的主要部件。金屬方盒、弧形板和支撐平板均定義為剛體，沖擊塊也定義為剛體。實驗中填充在金屬方盒中的聚亞安酯泡沫的密度與金屬盒、弧形板等相比小很對，仿真中忽略其質(zhì)量

11、和慣性的影響，并將長骨與金屬盒的連接定義為剛性連接（*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET）。在脛骨驗證中使用的ConforTM泡沫材料的特性參照文獻Darvish et al（1999）建立。在仿真中，通過長骨與沖擊塊的初始滲透模擬實驗中的初始接觸力，從而消除仿真過程中由于突然沖擊而引起的長骨的振動。由于在脛骨仿真驗證中使用了泡沫，仿真中接觸力曲線存在較大波動，文中采用SAE J211/1 100Hz對沖擊力進行濾波。3、實驗要求通過調(diào)整脛骨干材料的參數(shù)，使得仿真中輸出的加載力-沖擊頭位移曲線與生物力學實驗的數(shù)據(jù)盡可能吻合（注意單位制）。可以與其中任意一條實驗曲線接近。加載

12、力通過接觸輸出，CID：25。沖擊頭位移由節(jié)點NID：9004263輸出。可以由這兩條曲線在HyperView中得到力-位移曲線。生物力學實驗獲得的力-位移曲線如下圖所示（黑色曲線是調(diào)的比較理想的一條仿真曲線）。請修改脛骨干材料的參數(shù)，使得計算得到的力-位移曲線與生物力學試驗的數(shù)據(jù)盡可能吻合。脛骨干材料的MID：13360001，材料類型為分段線性彈塑性，*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。需要參照LS-DYNA的關鍵字手冊，對該材料卡片中的彈性模量E、屈服極限SIGY、切線模量ETAN、有效塑性應變FAIL進行修改。模型已經(jīng)設置了初始值，但結(jié)果并不理想。請參照下

13、表設置相關參數(shù)。生物力學試驗曲線的數(shù)據(jù)已經(jīng)數(shù)字化，分別為文件：Tibia_DY_Mid1.dat、Tibia_DY_Mid2.dat和Tibia_DY_Mid3.dat。骨骼密度（kg/m3）泊松比彈性模量（GPa）屈服應力（MPa）極限應變（%）參考文獻股骨皮質(zhì)骨1900-17.0-Schuster et al（2000）79其他皮質(zhì)骨1900-18.0-松質(zhì)骨1900-0.3-股骨皮質(zhì)骨20000.313.51151.7Untaroiu et al（2005）92脛骨腓骨皮質(zhì)骨20000.317.51251.6股骨頭松質(zhì)骨11000.30.99.313.4股骨上端松質(zhì)骨11000.30.6

14、166.613.4股骨下端松質(zhì)骨11000.30.2985.613.4脛骨腓骨松質(zhì)骨11000.30.4455.313.4股骨皮質(zhì)骨20000.317.3110-Snedeker et al（2003）181股骨松質(zhì)骨10000.3-1.47-股骨頭皮質(zhì)骨20000.317.9100-Kim et al（2005）189股骨骨節(jié)皮質(zhì)骨18000.317.9100-股骨干皮質(zhì)骨18000.317.9100-髕骨皮質(zhì)骨15000.312.0100-股骨頭松質(zhì)骨15000.30.2510-股骨骨節(jié)松質(zhì)骨15000.30.2510-髕骨松質(zhì)骨15000.30.2510-股骨皮質(zhì)骨18500.31514.317114.12.0Takahashi et al（2000）90脛骨皮質(zhì)骨18500.31520.003129.01.5松質(zhì)骨6000.3150.2953.713.4股骨頭松質(zhì)骨6000.3150.7929.113.4股骨脛骨體皮質(zhì)骨1800-21000.316-17.5120