小腿残肢接受腔摩擦界面的三维建模及有限元分析

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1、国内图书分类号：THll7国际图书分类号：531．43西南交通大学研究生学位论文小腿残肢／接受腔摩擦界面的三维建模及有限元分析年级三委二二级姓名王L壶：申请学位级别全旦生I工程亟±专业扭越工猩指导老师奎炷巫窥旦二零一四年四月ClassifledIndex：THll7U．D．C：531．43SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesis3DmodelingandFEAatlowerresiduallimb／prostheticsocketfrictionalinterfaceGrade：2011Candidate：kon

2、gliangAcademicDegreeAppliedfor：MasterSpecialty：MechanicalengineeringSupervisor：Prof．LiWeiApril．2014西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密匾障用本授权书；2．不保密／，使用本

3、授权书。(请在以上方框内打“V／”)学位论文作者签名：指导老师签名：态韦日期：№；争。rl厂日期：形晔．多／厂西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1．对小腿残肢／接受腔系统进行数学建模，确定了残肢与接受腔接触界面的力学指标及其几何关系，结合实验参数，分析了各力学参数对系统的作用，解释了接触面存在摩擦力的意义和摩擦系数对系统的影响。2．基于断层扫描数据，利用反求方法重构了小腿残肢／接受腔系统的三维几何模型，探讨了构建生物组织几何模型的技术路线。3．建立了残肢／接受腔有限元模型，分析了残肢／接受腔摩擦接触界面的应力状

4、态，计算得到了残肢皮肤在一个步态周期内的各应力和摩擦力等参数，确定了界面出现滑动时的临界力学参数。4．借助UMT-II多功能摩擦磨损试验机，以有限元结果为基础，模拟了残肢皮肤和接受腔摩擦接触工况，研究了皮肤在步态周期临界参数下的摩擦行为和特性变化。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：一。申．巴、lS。西

5、南交通大学硕士研究生学位论文第1页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HeelStrike、FootFlat、Mid．Stance

6、、HeelOff和ToeOff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

7、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HeelOff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，39．5l(Pa为接触界面发

8、生相对滑动的临界正压力值