论文部分内容阅读
六轴外固定矫形康复支架由于其自身调节的适用性广、过程方便、精度高等特点,在骨科治疗领域有着重要的意义。但目前研究主要集中在矫形复原算法上,在支架的力学研究中,存在研究方案、有限元仿真质量、连杆测力设备等方面的不足。本文设计了一种连杆作用力的实验测量装置,提出了一种矫形康复支架的综合力学研究方案,实现对矫形康复支架的综合力学测量。主要包括以下方面:(1)建立六轴外固定矫形康复支架整体模型。在研究现有矫形康复支架的基础上,通过Solidworks建立了矫形康复支架的模型;对人体骨骼的CT数据进行Mimics重建和处理、Geomagic曲面优化,建立了精确的胫腓骨三维模型。在此基础之上,装配支架、骨骼、连接件模型,建立合理的矫形康复支架整体模型。(2)外固定支架模型有限元分析。首先,对钢针结构进行力学分析,根据其剪切强度理论计算最大作用力。然后,对整体矫形康复支架模型采用组合式网格划分,建立更为精准的有限元模型。最后进行轴向加载仿真,得出断骨处支反力随轴向力的增加而增大;侧方加载仿真,研究不同侧方受力点对支架连杆应力的影响;扭转加载仿真,得到连杆应力随扭矩增加的趋势。(3)设计了一套连杆作用力测量装置,包括气动控制模块、实验架构模块、传感器采集模块。气动控制模型通过上位机程序实现对气压的输出控制,为气缸提供动力源;实验架构模块设计相应的框架和卡具,实现了对矫形康复支架的定位和卡紧;传感器采集模块主要选择合适的传感器安装到连杆处,通过放大器放大,单片机转换读取,实现对连杆受力的读取,并对传感器斜率特性进行标定。(4)六轴外固定矫形康复系统的综合力学研究。在连杆作用力测量装置设计的基础之上,进行轴向加压实验、侧方加压实验、扭转加压实验,得到不同载荷情况下,不同作用力大小对应的连杆处作用力的数值,绘制连杆处作用力随加载载荷变化的趋势图。归结为:(1)连杆受力变化趋势和各连杆初始化受力形式、各连杆力线和作用力的夹角有关;(2)最大增幅和连杆距离作用点距离、力线夹角有关;(3)在侧方加载过程中,施加等值侧方力值,空白处加载的结构稳定性会优于连接处加载。