医用生物力学 2006年12月 第21卷 第4期Journal of Medical Biomechanics, Vol. 21 No. 4, December 2006317文章编号：1004-7220(2006)04-0317-05·።ዐ·আᏭ၊ೆሆ৹৷።ೆॊᇜ赵均海, 刘彦东（长安大学建筑工程学院，西安 710061）摘要: 目的 对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况下股骨可能发生在弯矩和压力复合荷载作用下的受力问题进行研究，为人工股骨头置换的设计和手术提供指导。方法 应用大型通用有限元软件ANSYS进行受力分析，根据人体股骨的实际尺寸，采用plate42单元建立平面模型，将股骨头传递的关节力的作用点向外偏移为0mm、5mm、10mm、15mm，模拟股骨头受弯矩作用的情况下股骨应力分布。结果 得出了在弯压复合荷载下股骨的变形、应力云图、股骨颈和股骨干上端的截面应力。结论 股骨颈存在较大的应力集中现象，股骨颈外侧承受较大的拉应力，股骨颈内侧承受较大的压应力，股骨干在垂直方向上外侧为拉应力，内侧为压应力。随着弯矩的增加股骨的应力有明显增加。关键词: 弯压复合荷载；股骨；应力；有限元分析中图分类号: R318.01 文献标识码: AAnalysis on femur stress under complex loadZHAO Jun-hai, LIU Yan-dong. (School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)Abstract: Objective To study the stress of human femur under the bending moment and compressive load withconsidering accident twist or tumble happens to the human body in walk. Methods Adopted the Finite Element Methodanalysis software ANSYS. Based the trim size of human femur, develop plane model using plate42 cell. Excursion theload of node j to outside δ 0 mm、5 mm、10 mm、15mm passed by femur head, simulate the stress distributing of thefemur head under the bending moment. Results Obtained the distortion deformation、stress nephogram、sectionstress of femur neck and upside of femoral shaft of the femur under the bending moment and compressive load.Conclusion There’s a large stress concentration at femur neck. The large tension stress is concentrated at the outsidestress nephogram of femur neck, while the inside of it has large compressive stress. The outside of femoral shaft haslarge tension stress in perpendicular orientation, while the inside of it has large compressive stress. With the increase ofbending moment, the stress of femur increases evidently.Key words: Bending moment and compression load; Femur; Stress; Finite element analysis股骨是人体下肢承重的主要组成部分，股骨的研究对股骨骨折、人工股骨头置换等领域都有很大的帮助。国内外对其受力特征和应力分布已做了很多研究[1~3]。其研究大都是基于人体正常活动情况下进行的，对于突发的扭伤、跌倒等情况下的受力分析很少。而研究人体在此情况下的受力分析则是人工股骨头置换后保证正常行动必不可少的，为此本文通过有限元法首次对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等意外情况时股骨受弯矩和压力同时作用时的应力分布进行研究，采用平面股骨模型对结构进行一定的简化，得出此种情况下股骨的变形、应力分布等结果，对人工股骨头置换有很好的指导作用，对股骨应力的进一步分析提供一定的依据。收稿日期：2006-3-22；修回日期：2006-05-15基金项目：教育部博士点基金资助项目(20040710001); 陕西省自然科学基金资助项目(2005E204)作者简介：赵均海(1960-)，男，博士，教授，博士生导师；研究方向：固体力学、生物力学和结构工程等的教学和科研工作通讯作者：赵均海，Tel: (029)82337238; E-mail: zhaojh@chd.edu.cn318医用生物力学 2006年12月 第21卷 第4期Journal of Medical Biomechanics, Vol. 21 No. 4, December 20061āݢ೯ਜ਼ऱज1.1āೆኧෝቯ本研究采用一种较精确的简化受力模型如图1所示[4,5]，相当于体重为70kg的成人在缓幔行走时，单足落地状态下股骨的受力模式。股骨头传递的关节力j=1588N，臀肌肌群肌力N=1039N，髂胫束肌力R=169N，受力方向如图1所示。其中θ=29.5º，ϕ=24.4º，α=135º，R力方向垂直向下。1.2āݢ೯ݬၫ股骨材料是一种比较复杂的材料，由密质骨和松质骨两种材料组成。其中密质骨是各向异性材料，松质骨近似地看作是各向同性材料。本文将采用简化以后的材料模型，认为材料是各向同性的线性材料[6,7]，由于股骨本身比较复杂，密质骨和松质骨的厚度不定，本文采用统一材料模型。材料的弹性模量(E)和泊松比(V)采用文献[8]中使用的材料属性：E=12000MPa，ν=0.25。1.3āᎌሢᏄॊᇜ本文采用大型通用有限元软件ANSYS 8.0进行分析，根据人体股骨的实际尺寸，结合文献[1]中的模型尺寸。采用plate42单元建立平面模型。按照材料的性质对材料的参数进行定义，然后对模型进行网格划分，建立起股骨的有限元网格模型，其中包括1494单元，1599个节点。股骨的网格、加载、约束见图2所示。图1 股骨力学模型Fig. 1 The mechanics model of femur图2 股骨的有限元网格划分模型Fig. 2 The finite element model of femur表1 本文计算求得的应力与文献报道数据的比较Tab. 1 Compared with the calculate stress of this paper andthe date of experimentation数据来源文献[1]内侧皮质本文181节点文献[1]皮质中点本文1574节点文献[1]外侧皮质本文31节点X方向应力(MPa)0-6.521-0.3702.808-1.913-1.8788Y方向应力(MPa)-0.651-34.85-2.456-13.45812.3877.3481.4ā۾ᆪෝቯᎧჇ၂ዩၫࡼ܈୷将本模型施加文献[1]的荷载，计算求得的应力与文献[1]OX方向由内到外相应节点181、1574、31的应力并进行比较(见表1)。通过比较可以看出本文建立的股骨模型与原有试验结果比较吻合，可以用该模型进行数值模拟计算。1.5āଝᏲᎧཇஊ本文加载采用体重为70kg的成人在行走时的力进行加载如图1所示，其中外展肌群肌N和髂胫束肌力R保持不变。另外本文考虑人体在运动中可能出现的身体扭曲、跌倒等特殊情况，在赵均海，等. 复杂受力下股骨应力分析ZHAO Jun-hai, et al. Analysis on femur stress under complex load319这种情况下股骨的受力很复杂，很多股骨的骨折也是在这种情况下发生的，但以往的研究都没有特殊考虑这种情况，本文将股骨头传递的关节力j的作用点向外偏移δ为0mm、5mm、10mm、15mm，即考虑股骨头受弯矩作用的情况来近似模拟这种情况。设置好其它的求解条件后对模型进行分析计算。2āஉਫ在人体正常行走时考虑一定的身体扭曲，股骨的应力分布基本形式没有改变。股骨头传递的关节力j的作用点偏移δ为0mm、5mm、10mm、15mm时水平方向上得到的应力云图见图3所示。股骨的变形见图4所示。股骨在关节力j的作用点偏移10mm时垂直方向上的应力云图见图5所示。图3 节点偏移不同程度时的股骨水平方向应力云图Fig. 3 The stress nephogram of femur in level orientation图4 股骨在关节力j偏移10mm时的变形Fig. 4 The deformation of femur with node loadexcursion 10mm图5 股骨在关节力j偏移10mm时垂直方向应力云图Fig. 5 The stress nephogram in perpendicularorientation of femur with node load excursion 10mm320医用生物力学 2006年12月 第21卷 第4期Journal of Medical Biomechanics, Vol. 21 No. 4, December 2006为了更精确的分析股骨的应力变化，取股骨颈的典型截面1-1为研究对象(见图1)，分析在股骨头传递的关节力j的作用点偏移0mm、5mm、10mm、15mm时截面上几个节点应力，做出各种情况截面应力如图6(a)所示。股骨头上端应力比较集中，而且在外侧受拉，内侧受压，在截面上的应力变化很大，分析在2-2截面(见图1)上当股骨头传递的关节力j的作用点偏移0mm、5mm、10mm、15mm时垂直方向上几个节点的应力，做出各种情况截面应力如图6(b)所示。分析节点应力随弯矩增加而变化情况，取股骨颈下端即1-1截面上端的85节点和1-1截面下端的1节点为研究对象，其应力值的变化随弯矩的增长见图7所示。从以上分析可以得出在股骨颈处特别是在股骨颈的中下段存在较大的应力集中，其股骨颈外侧的拉应力和内侧的压应力水平高，在接近表面的时候都有应力突增的现象。而且随着弯矩的增加，应力明显增加。该部位正是在正常人体解剖结构中骨质明显增厚、密度增加以提高强度，抵抗较大负载的部位。股骨干在水平方向上主要承受压应力，应力值不是很大，但是在垂直方向上外侧承受较大的拉力，内侧承受较大的压力。而且以股骨干上端最为突出。通过应力云图和截面应力都可以得出从整体上分析股骨上的应力随着弯矩的增加都有明显的增加，说明弯矩对股骨的应力影响很显著，所以考虑人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况，以增强股骨头置换时的尺寸、材料强度以满足特殊情况的安全。同时也是研究股骨应力的一个重要问题。图6 关节力偏移不同程度时股骨颈的截面应力Fig. 6 Stress of femur changes while the section stress offset图7 股骨颈不同节点位置的应力Fig. 7 Node stress in different femural node赵均海，等. 复杂受力下股骨应力分析ZHAO Jun-hai, et al. Analysis on femur stress under complex load3213āᄀ൙人体在运动中可能出现身体的扭曲、跌倒等特殊情况，在这种情况下股骨的受力很复杂，可能存在多种力的组合，以往的研究都没有特殊考虑这种情况，本文将股骨头传递的关节力j的作用点向外偏移一定距离，即考虑股骨头受弯矩作用的情况来近似模拟这种情况。通过应用ANSYS软件进行建模对人体股骨受弯压复合荷载作用下的受力研究，得出以下几点结论：(1) 从研究结果可见，股骨颈中下段是股骨应力较集中的区段，而且在股骨颈外侧受拉，内侧受压,提示在临床处理股骨颈骨折时，应尽量保持股骨颈内、外侧皮质骨的完整性，这样处理有利于荷载由股骨头向股骨干传导并减少骨折部位的受力。(2) 随着弯矩的增加股骨上的应力有明显的提高，在应力较集中的股骨颈和股骨干上端更为明显。说明研究股骨受力时考虑弯矩是非常重要的，结果提示我们，在为保证人体安全，股骨头置换时应增强尺寸，提高材料强度。本文在建模和材料参数上都有一定的简化，临床应用还需要进一步的研究。(3) 从股骨的应力得出股骨颈和股骨干上端是股骨薄弱的环节，在体育锻炼和骨折后治疗等方面应注重这些区段的保护。(4) 股骨的受力是一个很复杂的过程，股骨的应力研究和试验数据有很大的离散性。本文的结果是基于很多简化而得到，所以并不能完全反映股骨的实际应力，只能表明股骨的应力趋势和应力特征。精确反映股骨的应力还需要进一步的研究。参考文献:[1][2][3][4][5][6][7][8]毛晓岗, 赵均海, 张国清, 等. 股骨上段应力状态分析[J]. 中国临床解剖学杂志, 1996, 14(3): 234-236.毛晓岗, 赵均海, 赵为公, 等. 股骨上段应力状态的光弹性分析[J]. 西安医科大学学报, 1996, 17(3): 330-332.祁振喜, 张德祥, 卫岐山, 等. 人体股骨应力分布研究[J]. 实用骨科杂志, 2003, 9(3): 230-233.Scireg A , Arviker RJ. The prediction of muscular load joint forces in the lower extremities dwring[J]. J Biomech, 1975, 1:8-11.Stromqvist B, Hansson Li. 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