[发明专利]一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法

权利要求书

1.一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于人体的解剖结构，建立所述坐姿人体有限元模型。

2)建立坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型、座椅与踏板有限元模型；

3)基于坐姿人体有限元模型、坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型和座椅与踏板有限元模型，建立包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型；

4)对所述包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型进行优化，得到坐姿人体有限元优化模型；

6)利用坐姿人体有限元优化模型对垂向振动条件下坐姿人体的椎间盘压缩力、椎间盘内压、纤维环应力和软骨终板应力进行预测。

2.根据权利要求1所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，所述坐姿人体有限元模型包括人体头部、上躯干、下躯干、臀部、大腿、小腿和脚。

3.根据权利要求2所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，所述大腿骨采用圆管进行模拟，臀部和大腿为光滑的一体结构；所述坐姿人体有限元模型各部分采用人体矢状面内的关节进行连接；所述关节包括带有刚度和阻尼的铰链。

4.根据权利要求1所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，建立L1-骨盆有限元模型的步骤包括：

1)基于POSER软件提供的人体解剖学和人体测量学数据库，导出腰椎L1-L5模型.obj几何文件；

2)将腰椎L1-L5模型.obj几何文件导入HYPERWORKS中进行网格划分，并与骨盆有限元模型结合建立L1-骨盆有限元模型。

3)赋予腰椎L1-骨盆模型的材料属性。

5.根据权利要求1所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，建立包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型的步骤包括：

1)将坐姿人体有限元模型和坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型、座椅与踏板有限元模型结合，得到包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型；

2)赋予包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型各部分软组织和关节初始参数，并根据人体各体段质量所占比例确定材料密度。

6.根据权利要求1所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，建立有限元模型的工具包括HYPERWORKS软件。

7.根据权利要求1所述一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，其特征在于，对包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型进行优化的步骤包括：

1)对包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型施加随机垂向振动激励，输出座椅和腰椎的加速度时域数据、人-座椅接触界面驱动点力的时域数据；

2)计算动态等效质量，即：

式中，AM(f)_v表示垂向动态等效质量，F(f)_v和a₀(f)表示人体与座椅接触面间在垂直方向上的力谱和加速度谱；AM(f)_f表示前后交叉轴动态等效质量，F(f)_f表示人体与座椅接触面间的在前后方向上的力谱；

3)建立振动从人体-座椅接触面传到人体不同位置的传递函数；

其中，振动从人体-座椅接触面传到人体腰椎的传递函数如下所示：

式中，T(w)为座椅至L3的传递函数，a_L3(w)为腰椎L3处的加速度频谱，a_s(w)为人-椅接触面加速度频谱。

4)计算有限元仿真和测量数据均方根误差E(λ)，即：

式中，D_ic和D_im分别代表第i次采样的动态等效质量和腰椎传递函数的坐姿人体有限元模型仿真数据、动态等效质量和腰椎传递函数的测量数据；n为采样次数；

5)判断均方根误E(λ)小于阈值E_min是否成立，若不成立，则进入步骤6)，若成立，则输出坐姿人体有限元优化模型；

6)调整坐姿人体有限元模型的关节刚度、关节阻尼参数及软组织的杨氏模量、泊松比、阻尼系数，并返回步骤4)。