完整版气囊减重步行训练有限元分析.docx
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完整版气囊减重步行训练有限元分析
研究生课程（论文类）试题
2014/2015学年第1学期
课程名称：
生物力学
课程代码：
19000011
论文题目：
气囊减重步行训练有限元分析
学生姓名：
专业﹑学号：
生物医学工程
学院：
医疗器械与食品学院
课程（论文）成绩：
课程（论文）评分依据（必填）：
任课教师签字：
日期：
年月日
课程（论文）题目：
气囊减重步行训练有限元分析
内容：
1.引言
随着社会的发展，人类文明的不断进步，人们的生活质量也越来越好，但是，人们也不得不面临越来越多的疾病困扰。
最为显著的是下肢功能障。
众所周知，步行是人们日常生活中最基本的功能活动之一，但是下肢功能障碍使得患者丧失这一基本功能，给生活带来了极大的不便，在加重了患者本身的不便的同时也给患者的家庭加重了负担，据统计，患有致残的神经系统疾病的患者如脑卒中、脊髓损伤、外伤、格林-巴利等病后，3年能恢复独立行走50m的患者仅有3%—10%。
对许多因各种原因导致暂时不能行走的患者来说，恢复步行这一基本功能是他们的第一愿望，这也是康复医学研究的一个主要内容。
减重步行训练是针对下肢功能障碍，改善步行能力的一种新的康复治疗技术。
躯干和下肢承重能力下降是导致步行不能的重要原因。
传统康复治疗已经采用减重的方式进行早期步行训练，例如利用水的浮力进行水中步行，利用各类拐杖或者步行器减少下肢负重等。
但都是存在一些不足，例如在水中运动需要特殊环境，拐杖或者助行器需要患者增加上肢用力，造成步行时身体姿态异常。
减重训练是以传统实践为依据，利用悬吊装置不同程度地减少上身体重对下肢的负荷，在理论上有利于支撑能力不足的患者早期进行各种步行训练。
目前减重训练已经开始临床应用研究。
2.减重步行训练的发展及应用现状
现代减重步行训练起源于上世纪80年代脊髓损伤的猫动物模型的步行训练。
目前较为认可的理论是“中枢模式发生器”（Centralpatterngenerator，CPG）学说。
1985年Finch等.在电动跑台上对脊髓横断猫后腿减重后被动迈步的试验中，发现经过一段时间的训练．可使猫重新获得运动能力：
并在进一步研究中发现．其运动能力的恢复与脊髓非完全损伤尚存在特定节段感觉输入机制有关。
这种踏板运动有赖于特定的节段感觉传人，类似于人类腰骶运动区的中枢模式发生器.
CPG是由脊髓中神经元相互联结组成的网络，能发放节律冲动，肌肉的节律性收缩就由低级中枢控制。
也有人提出CPG存在于脊髓的腹侧和中部的两侧，它们相互之间存在信号通讯，以脊髓颈和腰膨大处最多，通过神经环路与其他神经关联。
当特定感觉传人后，CPG产生步行中屈肌和肌交替转换的神经冲动，首先屈肌兴奋性冲动通过中间神经元抑制伸肌活动，屈肌兴奋完成后伸肌神经兴奋释放，引起伸肌活动，从而在步行动作启动之后，产生自发性屈肌一伸肌交替兴奋，产生迈步动作。
传统步行运动治疗强调诱发下肢关节分离运动，单独训练迈步、平衡、重心转移等分解动作。
但真实步行环境与此不同，结果常导致患者分离运动好，步行能力差的矛盾现象。
减重步行训练（BWSTT）强调在真实步行环境中进行综合性训练，注重实用性，增加安全性，减少能量消耗，扩大活动范围，提高生活质量。
自上世纪80年代始，BWSTT开始临床应用于脑卒中及脊髓损伤患者。
患者下肢无充分负重能力时即可开始BWSTT，而无需等训练到能步行后才进行传统步态训练，这显然符合脑卒中早期康复理念。
因此开始在脑卒中临床方面开始应用。
减重训练的临床应用可以追溯到1958年，Margaret等出版了专著“康复治疗中的悬吊疗法”。
但是由于方法的局限和认识不足，没有得到发展。
将减重训练用于神经瘫痪患者的新热潮始于加拿大学者Visintin等1989年的报道，他们发现痉挛性瘫痪者进行40%减重训练活动平板训练6周后，平衡功能、步行速度和步行耐力均显著高于常规训练组，随访3个月时训练组的步行速度和运动恢复得分进一步提高。
Pillar等报道24例研究对象，包括偏瘫、脊髓损伤和膝下截肢，与6名正常人相对照。
减重系统为固定在天花板的滑轨和选吊带，减重范围0-150kg。
采用录像分析系统采集支撑相和摆动相的时相，分析步态的对称性和时速，发现受累肢体的支撑相时间减少，对称性改善，步速增加，过去不能步行者现在能够步行；治疗师可以集中精力关注受累肢体，促进步态改善。
减重步行练系统由两部分组成，即减重装置（PBWS）和电动活动平板（treadmill）。
减重装置（电动）主要包括固定支撑架、减重控制台、电动升降杆、减重吊带。
减重控制台控制电动升降杆的升降，随着升降杆的升高，患者被逐渐向上吊起．下肢负重减少．减少的重量可以在减重控制台上显示出来。
治疗师可以按需要从下肢O％（完全负重）一100％（完全不负重）调整下肢减重量。
目前，初始的减重量大多采用减掉患者身体质量的30％一加％，也有减重60％的报道。
训练前需满足两个条件：
①患者负重达到可能支撑的最大体重；（函患者髋关节能够完全伸展。
一旦进步，尽快减少减重量．直至达到全负重．但必须保证正确的步态模式及安全性。
减重吊带类似于降落伞固定带，使用时需紧紧缚于患者的腰臀部．固定带的两端对称固定在悬吊支撑架上。
活动平板（电动）用于减重患者的步行训练．平板运行时间、速度和坡度可以根据需要进行调节．一般初始速度设定为0.1-0.5m/s。
每次步行训练30--40min．采取间歇训练法，间歇频率及时间因人而异，主要根据患者的耐受程度和疲劳恢复情况。
由治疗师具体掌握，以后根据患者恢复情况逐步减少间歇次数、间歇时间，增加平板运动速度。
近年来，减重步行训练在国内得到广泛的应用。
但是减重步行训练在国内所涉及的病种尚不够深入．使用时需多名治疗师参与治疗。
人力投入相对较大．限制了它在临床工作中的使用。
尽管有关减重步行训练的研究报道较多，但缺乏大样本。
多中心对照研究，对开始减重的时机、减重量、平板运动速度、持续间歇时间、疗程等方面。
各家报道不一，还有待进一步循证优化。
以确定最佳训练方案。
3.减重步行训练的有限元分析
3.1有限元的基本理论
有限元法是结构分析的一种数值计算方法。
它在20世纪50年代初期随着计算机的发展应运而生。
最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域的满足条件,从而得到问题的解。
这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用,例如用多边形逼近圆来求得圆的周长,但作为一种方法而被提出,则是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法,应用于航空器的结构强度计算,并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力,随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。
20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为:
“有限元法=RayleighRitz法+分片函数”。
将函数定义在简单几何形状的单元域上,且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。
在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。
在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。
根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。
从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。
不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。
对于权函数，伽辽金（Galerkin）法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域内选取N个配置点。
令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。
插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。
有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日（Lagrange）多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特（Hermite）多项式插值。
单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。
常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。
在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。
对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。
有限元法的理论基础牢靠，物理概念清晰，解题效率高，目前已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段。
3.2有限元分析的基本步骤
第一步、创建有限元模型
根据我所选的毕业设计的题目以及参考实物，我运用SolidWorks软件画出所要分析的底板的立体几何图（如图3.3所示）。
第二步、打开ANSYSWorkbench主界面创建一个新的分析项目
打开workbench主界面双击Geometry选项，并用鼠标单击StaticStructural选项，并拖拽至A2项目下生成一个关联分析项目B（如下图3.1所示）。
图3.1创建新的分析项目
第三步、导入实体模型
在A2栏的Geometry上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择ImportGeometry→Browse命令，选择所绘制的底板的立体几何图。
此时，A2栏Geometry后的
变为√，表示实体模型已经存在。
第四步、添加材料属性
在Workbench主界面空白区域单击鼠标右键选择EngineeringData选项，进入材料库，在这里可以选择添加一些材料的属性。
第五步、划分网格
根据实际情况和有限元分析的条件及要求选择适当的网格划分方式，在本文中我选取的网格划分目标的物理环境为结构分析（Mechanical）。
第六步、施加载荷与约束
根据课题的要求和实际情况的需要选择适当的载荷和约束力。
第七步、结构后处理
在此步骤中可以添加等效应力等效应变以及总变形选项。
第八步、保存与退出
单击Mechanical界面右上角关闭按钮，退出Mechanical返回到Workbench主界面，此时主界面中的项目管理区中显示的分析项目均已完成。
在Workbench主界面中单击工具栏中的保存按钮，保存含有分析结果的文件。
3.3底板的结构设计及介绍
在做结构设计的时候我尝试着做了两种不同的结构设计图：
一种是一体化整体结构（如下图3.2）
图3.2地板结构
还有一种是由五个不同的单一零件装配成的装配体的结构（如下图所示）。
下面是组成装配体的不同的零件的结构设计。
图3.2.1零件一
图3.2.2零件二
图3.2.3零件三
图3.2.4零件四
图3.2.5零件五
图3.3地板结构
比较一下这两种设计的不同以及在之后的工作中遇到的一些问题。
首先，在立体效果方面，两幅图大概差不多，都能表达减重步行训练装置的底板的效果。
其次，在用SolidWorks画图上面的不同。
图一是先确定一基准面好后。
画一个长方形，直接进行凸台拉伸，形成一个整体的六面体，然后再针对各个部分进行切除拉伸，最后形成一个如图一所示的整体的立体图，这样一个几何图形，它虽然也表达了同样的效果，但终归是一个整体的立体图，在进行后续分析的时候一些缺点和不足也同样暴露出来，如在进行材料属性添加的时候，这样一个立体图它没有办法针对某一个面或者某一个结构进行独立的定义，如果定义的话，只能是一个整体的结构定义，这显然不符合我们的要求，也没有办法完成后续分析。
而图二不同，在这个结构图里我们很容易分辨每一个小的单一零件结构，虽然每一个单一零件都很简单，但是它们组合起来就不一样了，这样的装配体在最后分析时证明其可行性。
因为，在用ANSYSWorkbench分析的过程中，添加材料属性时，我们可以选择单一的零件结构进行独立添加，不同的部位可以随意添加我想要的不同的材料属性。
这样的话，就满足了分析的条件，可以进行后续的分析研究。
最终结果表明，图二所示的地板结构是正确的设计结构，而图一是错误的，在之后的分析时，我们选择图二所示的结构分析，但会拿图一来做比较参考。
3.4气囊的结构设计及介绍
气囊是一种在柔性地橡胶囊中充入压缩空气或水介质；利用空气地可压缩性和水的流动性来实现弹性作用。
在我的毕业设计中，我们的气囊减重步行训练装置中的气囊里面所填充的介质为空气。
但因为气囊不是我分析的重点，在这里我们只需要画出其结构图就可以，不需要对其进行其他分析，因此，这里我就不做过多的介绍。
下图3.4所示就是我所设计的气囊结构。
图3.4气囊结构图
根据本毕业设计的要求，气囊装置我就不做过多的介绍，因为在之后的分析时用不到气囊装置，因此绘图过程这里就不过多赘述，我们就简单介绍一下这个整体的气囊结构图。
在如图所示的我设计的气囊的结构图里，上面的圆孔是用来给进行康复训练的下肢功能障碍患者通过所用，而其它的孔则是用来给其他装置进行配合的例如传感器、底板、气体发生装置等。
3.5底板几何体的导入
根据设计的要求我用SolidWorks画出底板的几何图形，并运用ANSYSWorkbench软件对其进行有限元分析。
如上述步骤3所述，导入已经构建好的实体模型的几何图，并用鼠标双击A2栏的Geometry选项，此时我们会进入到DesignModeler界面，此时，图形窗口中没有图形显示，则表示我们需要生成，单击Generate按钮，即可显示生成的几何体也就是我们导入的实体模型（如下图所示）。
单击DesignModeler界面右上角的关闭按钮，退出DesignModeler，返回Workbench主界面。
（如下图3.5所示）
图3.5导入几何体
如果不用SolidWorks画图的话，可以在此界面进行画图，当然这里我们就不提了。
3.6添加材料属性
在进入到材料库界面时，在空白处单击鼠标右键进入到EngineeringDataSources界面，在这里我们选择A3项一般的材料，然后在OutlineofGeneralMaterials表中找到A11栏StainlessSteel（不锈钢），在其右边B11栏中单击添加就行。
此时，C11栏中会有一个橡皮擦的标示，此时表明材料添加成功。
（如下图3.6所示）
图3.6添加材料属性
在添加材料属性这一步骤中就可以体现出我所设计的两种结构的不同，在图3.2的结构设计中，只能定义一个材料，因为所设计的结构是一个整体，而在图3.2.1的结构中我们可以定义多种材料，因为它是一个装配体，可以针对单一的零件进行一些材料属性的添加。
在我所设计的正确的底板结构图也就是图3.2.1中，我们定义零件一的材料为一般的刚性结构（StructuralSteel）；定义零件二的结构为高密度纤维板，由于软件的材料属性库里没有此材料，所以这就需要我们进行手动添加；定义零件五的材料属性为硅橡胶，同样需要自己手动添加；由于零件三和零件四对后续分析没有影响所以我们就暂且选择默认的材料属性。
下表是我所手动添加的材料的一些物理特性。
表3.1新添加的材料的名称和物理特性
材料的物理特性
材料名称
密度（
）
杨氏模量（Pa）
泊松比
硅橡胶
1300
0.47
高密度纤维板
800
0.3
在材料属性库中添加好新的材料属性后返回到Workbench主界面然后双击Model选项进入DesignSimulation模块，选择需要独立添加材料的零件，在Material选项下的Assignment后选择刚刚在材料库中添加的新的材料选择应用，这样我们就完成了整体的材料属性的添加
3.7网格划分
在几何模型创建完毕后，需要对其进行网格划分以便生成包含节点和单元的有限元模型。
网格划分在ANSYSWorkbench中是一个独立的工作平台，他可以为ANSYS不同的求解器提供对应的网格文件。
有限元分析离不开网格的划分，网格划分的好坏将直接关系到求解的准确度以及求解的速度。
网格划分的目的是对CFD（流体）和FEA（结构）模型实现离散化，是把求解域分解成可得到精确解的适当数量的单元。
在本论文里面，需要对其进行的是FEA（结构）类型的划分。
对于结构网格：
1.可以通过细化网格来捕捉所关心部位的梯度（包括温度、应变能、应力能、位移等）。
2.结构网格大部分可以划分为四面体网格，但其首选网格是六面体单元。
3.有些显式有限元求解器需要六面体网格。
4.结构网格的四面体单元通常是二阶的（单元边上包含中节点）。
在这里我简单介绍一下划分网格时应考虑的一些基本原则。
1.网格数量
网格数量的多少疏密将影响计算结果的精度和计算规模的大小。
一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。
在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。
如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。
2.网格疏密
网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。
网格的细划可以提高计算精度，但不能盲目追求网格的细密，关键在于抓住主要区域进行模拟，要粗划和细划适宜。
因此，在保证计算目的和精度的条件下，控制网格规模，在不同阶段选择不同的简化程度。
在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。
而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。
3.单元阶次
许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。
选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。
但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。
但网格数量较少时，两种单元的计算精度相差很大，这时采用低阶单元是不合适的。
当网格数量较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。
4.网格质量
网格质量是指网格几何形状的合理性。
质量好坏将影响计算精度。
质量太差的网格甚至会中止计算。
直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。
在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。
而在结构次要部位，网格质量可适当降低。
当模型中存在质量很差的网格（称为畸形网格）时，计算过程将无法进行。
5.网格分界面和分界点
结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。
即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。
常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线（点）、集中载荷作用点和位移约束作用点等。
6.位移协调性
位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。
为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。
相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。
7.网格布局
当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性（如集中质矩阵对称）。
不对称布局会引起一定误差
8.点和单元编号
节点和单元的编号影响结构刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。
但对复杂模型和自动分网而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳动强度。
在本文中我才采取的网格划分方法时候六面体网格划分方法。
在尺寸控制方面我选取的网格划分目标的物理环境为结构分析（Mechanical），尺寸控制方面选取Curvature（曲度）、细化的关联中心即RelevanceCenter中选取Fine、平滑过渡选取Fast、细化的跨度中心角（SpanAngleCenter选取Fine）最后的网格划分效果如下图3.7和图3.8所示。
其实，网格划分的尺寸控制还有一种方法，就是直接定义最小单元格，每种划分方法都可以，最后的结果也都一样，不影响后续的计算。
网格划分好后的节点和单元格数目的不同跟导入的几何体的尺寸大小有直接关系。
在图3.7中共有节点69383个，单元格12899个。
在图3.8中共有节点119137个，单元格79084个。
图3.7网格划分效果图
图3.8网格划分效果图
3.8计算求解
1.施加约束
对有限元模型施加边界条件的原则就是：
在反映真实情况的前提下，对力和载荷进行合理的简化。
在施加边界条件的过程中还要具体情况具体对待，综合考虑模型结构、分析目的、试验数据等因素。
因此呢，我们把底板当成一个跑步机的底板，也就是选择固定约束并且选择固定约束的面为其下底面。
图3.9选择固定约束面
2.施加载荷
一般有限元分析中的载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用，可以分为：
自由度、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷。
可以在实体模型上或者有限元模型上加载。
直接在实体模型上加载，独立于有限元网格的划分，重新划分网格或者局部网格修改是不影响加载的，而且操作方便，可以在图形中拾取。
但是无论采取何种加载方式，有限元分析程序在求解前都将转化到有限元模型上，因此，加在实体上的载荷将自动转化到其所属的节点单元上。
施加载荷应遵循的原则是:
（1）简化越少越好。
（2）使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合。
（3）在加载时，必须清楚各载荷的施加对象。
（4）如果必须作简化处理是，必须忽略不合理简化的边界附近一定区域内的应力。
除了对称边界外，实际中不存在的真正的刚性边界，实际上也不存在集中载荷。
值得注意的是：
在结构分析中集中载荷通常是向梁、杆等构成的非连续性的模型施加的一种途径。
对于由壳单元、平面单元或者三维实体单元等构成的连续性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。
但是在静力分析中，如果不关心集中载荷作用节点出的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷。
添加在模型上这样虽然对载荷附近的局部特性有影响，而对整个结构的性能影响不大。
根据实际情况载荷的来源为下肢功能障碍患者的体重由于地
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