基于有限元的膝关节生物力学分析

 1  三维模型重建XIt中科院广州电子3d打印三维扫描技术网站

模型重构是逆向建模中的关键步骤之一,模型重构是利用前期扫描获得的离散三维点云数据重新构建被测物体三维几何信息,生成三维曲面模型。本项目在已有扫面数据情况下,选择Geomagic studio处理点云数据。
Geomagic Studio 是Geomagic公司产品的一款逆向软件,可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。作为自动化逆向工程软件,Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择,如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。Geomagic Studio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充,它可以输出行业标准格式,包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式。
利用已有的点云数据在Geomagic studio软件中进行几何模型的建立,先利用几何裁剪与封闭对股骨、胫骨、腓骨等进行末端的修剪剂封闭,如图1.1所示。
三维扫描检测
该软件拥有一套直观的多边形编辑工具(包括一键式自动网格修补工具)、交互式砂纸、曲率敏感光顺和孔洞填补,即使在没有完美的扫描数据的情况下,用户依然可以创建出高质量的三角网格面模型。智能简化工具在简化数据后保证了高曲率区域的多边形能购创建更为有效的模型。
对修剪好的模型进行表面光滑、去除特征等命令进行表面处理,然后对其进行曲面拟合得到igs的几何模型,如图1.2所示。
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2 有限元模型建立
根据生物结构特性,结合目前各有限元软件的特点,最终选用ICEM CFD和Hypermesh划分和编辑模型网格。ICEM CFD为ANSYS旗下专业的网格划分软件,拥有先进的网格“雕塑”技术,能够以纯六面体的形式对任何形状复杂的物体进行网格划分。Hypermesh软件集合了有限元前处理与后处理需要的多种模块,是功能丰富的有限元平台。在建立和编辑网格方面,Hypermesh提供了便捷、成熟的网格模块。同时,Hypermesh还提供完整的后处理模块,其后处理模块有良好的人机交互功能,完善的可视化功能。综上所述,选用ICEM CFD和Hypermesh进行有限元网格划分和仿真分析是合适的方案之一。 ICEM CFD自动对模型的点、线、面元素分类,放置到相应的模块中。ICEM CFD网格划分的关键是建立与几何模型贴合的块,块与几何模型拓扑结构贴合的越好,生成的网格质量越高。主要过程如下:几何拓扑修复、建块、块编辑、关联、网格参数设置、网格预览及质量优化、转非结构网格、求解器设置,最后导出网格。根据不同区域的具体情况,分别在不同区域运用O型切分和Y型切分,能够较好的解决块与拓扑结构拟合度低的问题。此分块方法既提高了运算的准确性也保证了网格与几何模型的准确拟合,如图2.1所示。
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以膝关节股骨为例,膝关节建模流程如图2.2所示。健康膝关节模型其中包括两侧韧带、十字交叉韧带、股骨、胫骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、半月板、髌骨及髌骨韧带,整个模型含有73299个节点,61923个网格,如图2.3所示。
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