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小腿残肢/接受腔摩擦界面的三维建模及有限元分析

孔亮  
【摘要】:安装假肢是截肢患者恢复活动能力和外观的主要康复手段。患者穿戴假肢时,残肢与接受腔形成的接触界面,是截肢患者肢体残端和假肢之间载荷传递的惟一通道,其设计合理与否直接关系到假肢的适配性和患者的安全和舒适程度。因此,研究残肢与接受腔接触界面的应力状态及摩擦学行为对于假肢界面优化设计和提高残疾人的生活质量具有重要的理论和现实意义。 本文以志愿者小腿残肢接受腔系统为研究对象,基于CT断层扫描数据,利用反求技术和有限元方法建立了骨骼、软组织以及假肢接受腔的三维有限元模型,分别施加Heel Strike、 Foot Flat、 Mid-Stance、 Heel Off和Toe Off五个典型步态时相的载荷,分析残肢皮肤在一个步态周期内的应力、滑移量变化,确定最大临界参数;借助UMT-II多功能摩擦磨损试验机,模拟残肢皮肤和接受腔摩擦接触,研究皮肤在步态周期临界参数下的摩擦学行为特性变化。综合有限元和实验两部分,其主要工作和结论如下: 1.残肢与接受腔接触界面主要传递正应力和剪切应力,摩擦力引起剪切应力;正压力和摩擦力共同起支撑残肢的作用;尽管摩擦力的存在以及界面的相对运动会引起残肢皮肤的损伤,但是摩擦力的减小相应的会造成正压力的提高,对软组织的伤害更大。因此合理的控制摩擦力的大小,是接受腔的功能性和舒适性设计的关键。 2.基于CT扫面数据,利用逆向工程建模方法建立了残肢/接受腔系统的几何模型,在几何学和解剖学上真实的再现了骨骼和软组织的形态,因而证实了该技术路线在生物组织建模方面的优越性。 3.有限元分析得到一个步态周期内各典型时相残肢表面最大正应力和切应力均发生在髌韧带处;髌韧带、后肌群、胫骨内外侧为残肢的主要受力点,步态周期各部位受力均呈现双峰蝶形,其中Heel Off为步态周期最不利时相,其最大临界正应力为384.3kPa,剪应力为102.1kPa;摩擦力随着正应力的减小而减小;在髌韧带等高应力区,界面以静摩擦为主,在低应力区,动摩擦力为主,39.5kPa为接触界面发生相对滑动的临界正压力值;在滑移起始应力点,摩擦系数最大,摩擦力造成皮肤的损伤最大;有限元结果表明残肢表面最大节点位移为4.365mm,最大相对滑移量为2.137mm。 4.摩擦学实验表明,载荷越大,摩擦力越大,摩擦系数越小,皮肤弹性变形越大,粘着程度越大;7N和17N两种载荷下,摩擦界面均处于粘着状态;可见有限元计算能够预测界面的压力分布和大小,但是在界面摩擦状态方面与实验结果还有差别,需要进一步研究。


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