基于有限元方法的骨科植入物生物力学仿真与优化
随着人们物质生活水平的不断提高改善，各类与椎体疾病有关的病例逐年增加，对于治疗椎体病变的椎间融合器的需求逐年增加。椎间融合器的生产制造过程与材料加工工艺复杂，成本高，设计与试验周期长，在设计阶段利用有限元分析软件强大的仿真能力对椎间融合器生物力学试验进行仿真，能够节省大量材料、时间成本，可以帮助企业减少在产品的设计、优化环节中，原型测试的原型数量和测试次数。融合器生物力学性能的仿真与优化技术能够为产品研发工作提供有力的支撑，可以大大加快产品的研发速度，缩短产品研制周期。 本文主要开展了椎间融合器生物力学性能试验并进行了仿真分析研究，探索了融合器有限元静力学、疲劳寿命设计方法，并对融合器进行了结构优化。主要研究内容如下： （1）椎间融合器建模、静压实验及仿真。依据融合器的设计原理，确定了融合器的设计方案，并用制图软件构造三维模型。依据标准利用万能拉压电子试验机对椎间融合器进行静态压缩试验，采用位移控制的方式来施加载荷，直至融合器失效，记录下载荷——位移曲线。使用显式算法和隐式算法对静压实验过程进行仿真，分析仿真结果。 （2）椎间融合器疲劳测试及仿真。依照相关标准，利用万能电子拉压试验机对融合器进行轴向载荷压缩疲劳试验，通过轴向载荷压力控制向融合器施加载荷，试验频率5Hz，载荷比R=10。实验结果分两类记录：发生结构性功能失效和达到500万次循环未失效。对融合器疲劳实验过程进行仿真，对比分析仿真结果与实验结果。 （3）融合器结构优化设计。利用响应面法，以融合器质量（体积）最小为优化目标，使得椎间融合器实现轻量化。
骨科植入物;生物力学仿真;有限元分析;疲劳寿
中国计量大学
硕士
控制工程
梁明轩;彭真
2021
中文
R687
2022-06-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）