【摘 要】
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肌肉和关节是支撑生物体运动的两个重要组成部分,同时也是较容易受损的部位。在生物体日常的运动过程中,当外界载荷超出了其所能承受的上限后,肌肉和关节便会出现永久性的损伤,因此,对生物软组织的力学性能进行研究,找出载荷作用下生物软组织的变形特征和应力分布规律,在有效的预测损伤和进行动物体或人体防护方面具有重要的指导意义。生物软组织关键本构参数的确定是有限元分析与模拟的一项非常重要的工作,然而由于生物组织结构复杂性等限制,通常很难直接获取其材料参数。因此,基于生物软组织力学实验进行材料参数反求正日益成为材料参数获
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肌肉和关节是支撑生物体运动的两个重要组成部分,同时也是较容易受损的部位。在生物体日常的运动过程中,当外界载荷超出了其所能承受的上限后,肌肉和关节便会出现永久性的损伤,因此,对生物软组织的力学性能进行研究,找出载荷作用下生物软组织的变形特征和应力分布规律,在有效的预测损伤和进行动物体或人体防护方面具有重要的指导意义。生物软组织关键本构参数的确定是有限元分析与模拟的一项非常重要的工作,然而由于生物组织结构复杂性等限制,通常很难直接获取其材料参数。因此,基于生物软组织力学实验进行材料参数反求正日益成为材料参数获取的重要手段。本文基于仿真分析﹑实验﹑优化算法结合的思路,提出了生物软组织材料参数的反求方法,具体工作如下:
(1)在总结了现阶段已有的参数反求工作中所采用的目标函数的基础上,提出了一种新的用于参数反求的目标函数。将小生境遗传算法引入到参数的反求过程,基于Python语言编写了针对生物软组织材料参数反求的优化程序,并将所提出的参数反求的目标函数引入到该优化程序。根据骨骼肌和半月板的特有的纤维结构,将仿真所学到的有限元模型的基本信息编写到优化程序中。
(2)选取牛的后大腿上的骨骼肌为研究对象,对获取到的样本进行了单轴无约束压缩实验。采用了加载方向和纤维方向之间的夹角为0°,90°两种不同的加载方式,得到了骨骼肌单轴压缩的载荷-位移的实验数据。将获取到的实验数据读入优化程序,接下来分别采用了论文所提出的新的目标函数以及当前已有的一种目标函数对骨骼肌进行了参数反求,根据仿真结果与实验结果的对比,确定出了骨骼肌的本构参数。研究结果表明,依据所提出的目标函数所得到仿真结果与实验结果相比误差较小,验证所提出目标函数的合理性。
(3)进一步改进了小生境遗传算法,将改进过后的小生境遗传算法作为参数反演的搜索算法,重新编写了针对生物软组织材料参数反求的优化程序。选取了牛的半月板作为实验对象,对其进行了单轴无约束的压缩实验,获取了载荷-位移的实验数据。将实验数据传入到改进过后的参数反演程序中去,对半月板进行了参数反演,确定了半月板的本构参数,采用相对误差函数来评估反求所得到的参数。
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