动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟与试验验证

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1、中图分类号unw论文编号]0060丨5-0066学科分类号4601530密级S^<7TIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY工程硕士学位论文•DISSERTATION动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟与试验验证-NumericalSimulationandExperimentalVerificationonAnimalThoraxModeL.•i!9MirjPhysiologicalLoad二w工程领域:鮮•.作者姓名:1程麵1指导教师:张春秋教授叶金铎教授天津理工大学研

2、究生部二〇一五年月独制牲声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研宄成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大學或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位抡文作者答名；後&如答孛《期：>«/歹年M月JI9学位办文板权使用援权书本学位论文作者完全了解天津理工大學有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大孛可以将学位论

3、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用木授权说明）学位也丈作者签名：导邱筌名：答孛9期：>巧年Q月/

4、E1答孛0期：年叫月IIq分类号：TH114密级：天津理工大学研究生学位论文动物胸廓模型在生理载荷作用下的数值模拟与试验验证（申请硕士学位）学科专业：机械工程研究方向：机械强度分析及现代设计理论作者姓名：程光凯指导教师：张春秋教授叶金铎教授2015年1

5、月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMaster’sDegreeNumericalSimulationandExperimentalVerificationonAnimalThoraxModelunderPhysiologicalLoadByGuangkaiChengSupervisorChunqiuZhangJinduoYeJanuary2015摘要漏斗胸是一种先天性并伴有家族遗传性的胸廓畸形疾病，占所有胸壁畸形的90%。漏

6、斗胸畸形使胸骨及肋软骨向内凹陷，造成对患者心肺的压迫，同时，漏斗状畸形的外观，严重影响患者的心理健康，使患者性格内向，有自卑感。当前，治疗漏斗胸主要是以Nuss手术为代表的微创矫形手术。Nuss手术的方法是在保持胸廓骨骼完整的前提下抬举凹陷的胸骨及肋软骨，从而达到治愈的目的，但其中涉及到的抬举力的变化规律及胸廓大变形后力学环境的改变等生物力学研究却很少。在数值计算的研究中，不同学者使用的计算模型和计算方法差异很大，数值计算结果还缺少试验验证。受到伦理的限制，还不能采用电测试验的方法在人体上直接进

7、行应变测量，通过比较应变和位移来验证数值模拟所使用的计算模型及计算方法的准确性。目前在试验研究中能够采用的模型有人工骨胸廓模型和动物胸廓模型，考虑到研究肋间肌对胸廓变形影响的需要，本文采用电测试验方法研究了羊胸廓模型在生理载荷作用下胸廓位移，肋骨和肋软骨的应变分布规律。以新鲜的动物（羊）胸廓为研究对象，保留肋间肌与胸骨内侧肌肉，在肋骨上下两端以及肋软骨上分别粘贴3组电阻应变片，测点布置参考了人体漏斗胸矫形过程数值计算的结果。通过WDW-10材料试验机给胸廓施加矢状面位移，位移大小参考了漏斗胸的矫

8、形位移，得到了载荷-位移曲线，通过动态电阻应变仪得到测点的应变。作者还研究了肋间肌对于动物胸廓变形的影响，将去除肋间肌的胸廓放在材料试验机施加矢状面位移，数值参考没有去除肋间肌胸廓模型的位移，得到了没有肋间肌时胸廓的载荷—位移曲线及测点的应变。通过有无肋间肌的位移—载荷曲线及应变数值的比较，确定了肋间肌对胸廓模型在生理载荷作用下变形影响的规律。文中还对动物胸廓进行了CT扫描，重建了动物胸廓包括胸骨，椎体和肋骨的三维实体模型。对肋骨进行三点弯曲试验，制作了胸椎材料的试件进行了压缩试验，得到肋骨及胸

9、椎的材料参数。参照动物胸廓电测试验，给模型施加相应的位移载荷和约束条件，计算得到了动物胸廓模型的位移及应力应变的分布规律。最后对得到动物胸廓数值模拟结果与试验结果进行对比与分析，研究了数值模拟与试验结果存在误差的主要因素。文中结果对于指导漏斗胸矫形过程数值模拟研究采用合理的计算模型和计算方法，以及对进一步开展胸廓模型的电测试验，包括人工骨胸廓模型和动物胸廓模型的电测试验具有较好的参考价值。关键词：动物胸廓生理载荷电测试验肋间肌数值模拟AbstractPectusexcavatumisaconge