一、生物力學(xué)
生物力學(xué)—力學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)結(jié)合的一門(mén)邊緣學(xué)科，是力學(xué)原理在生物學(xué)中的應(yīng)用，以此來(lái)研究生物與力學(xué)有關(guān)的問(wèn)題.
1、在生物力學(xué)中，有限元分析法可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的生物模型，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，在不同實(shí)驗(yàn)條件下模擬任意部位變形(拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等)、從而分析其中的應(yīng)力應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析、強(qiáng)度分析、穩(wěn)定性和疲勞損傷以及壽命的預(yù)測(cè)等。
2、同一個(gè)模型在虛擬計(jì)算中可反復(fù)進(jìn)行加載或組合，其結(jié)果不受其他客觀條件的限制，節(jié)約成本。
3、有限元法目前已成為工程科學(xué)技術(shù)中用于模擬并解決各種工程力學(xué)等物理問(wèn)題最優(yōu)秀的方法之一。
二、有限元分析關(guān)鍵因素
1、網(wǎng)格密度（合理選取網(wǎng)格數(shù)量）
2、元素選?。ㄋ拿骟w和六面體）
3、材料特性（考慮非線性、粘彈性等問(wèn)題）
4、多種材料結(jié)構(gòu)
5、模型加載（加載位置等）
6、力學(xué)測(cè)試驗(yàn)證（有限元分析結(jié)果與力學(xué)測(cè)試比較）

“醫(yī)用生物力學(xué)建模仿真技術(shù)與應(yīng)用”專題培訓(xùn)
課 程 內(nèi) 容
一、生物力學(xué)研究前沿 1 有限元建模基礎(chǔ)知識(shí)（簡(jiǎn)介）
1.1生物力學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
1.2 有限元方法基本原理及在生物力學(xué)研究中的應(yīng)用
1.3 有限元分析的關(guān)鍵因素分析
二、醫(yī)學(xué)圖像三維建模
（結(jié)合具體實(shí)例講解）
2 醫(yī)學(xué)圖像三維重建
1．醫(yī)學(xué)圖像的三維重建的基本原理和方法
2．Mimics三維重建詳解（從斷層圖像到三維建模）
實(shí)例操作：
1)四肢長(zhǎng)骨的建模（股骨、脛骨和肱骨等）
2)關(guān)節(jié)的建模（膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等）
3)椎體建模（頸椎、胸椎或腰椎等）
4)軟件功能介紹，包括切割、分離、測(cè)量和裝配等
5)三維模型與3D打印的聯(lián)系和應(yīng)用
6)關(guān)節(jié)軟骨建模
7)椎間盤(pán)建模（包括纖維環(huán)、髓核、軟骨終板等）
8)模型三維體網(wǎng)格劃分（以股骨或脛骨為例）
9)三維體網(wǎng)格模型賦材料屬性、導(dǎo)出、導(dǎo)入有限元分析軟件
10)骨科植入重建（骨板、螺釘重建）
11)軟件定制化植入物、手術(shù)導(dǎo)航、多孔支架設(shè)計(jì)
12)可以根據(jù)學(xué)員需求進(jìn)行其他部位骨建模
三、ANSYS有限元分析詳解
（結(jié)合具體實(shí)例講解） 3 ANSYS有限元分析詳解
3.1 前處理功能模塊
3.1.1 建模功能和模型導(dǎo)入
ANSYS二維、三維建模（以三維融合器建模為例）
外部模型模型導(dǎo)入（以Mimics模型導(dǎo)入為例）
3.1.2 網(wǎng)格屬性、材料的屬性
各種網(wǎng)格屬性的原理介紹和應(yīng)用（四面體和六面體實(shí)例）
網(wǎng)格密度的控制
模型材料屬性的定義
3.1.3 模型的接觸功能設(shè)置（包括小關(guān)節(jié)、骨與內(nèi)固定）
3.2 求解功能模塊
3.2.1 如何在模型上施加邊界和載荷（包括面載荷、集中載荷和力矩）
3.2.2 求解控制（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載）
3.3 后處理功能模塊
3.3.1 結(jié)果指標(biāo)的提?。鹤冃?、應(yīng)力、應(yīng)變等
3.3.2 結(jié)果云圖的設(shè)置（包括位移云圖、應(yīng)力云圖）
3.3.3 結(jié)果分析與評(píng)判
實(shí)例操作：以脛骨模型為例，實(shí)現(xiàn)Mimics三維建模、3-Matic網(wǎng)格劃分、材料屬性分配、ANSYS加載分析，得到分析結(jié)果
四、輔助軟件 4 輔助軟件的介紹
4.1 Geomagic軟件面三維模型處理
4.2 Pro/Engineer軟件，三維內(nèi)固定建模
4.3 Hypermesh軟件，三維體網(wǎng)格前處理
結(jié)合臨床的課題分析與設(shè)計(jì)思路
五、應(yīng)用案例解析Ⅰ
5 具體案例演示
5.1 胸腰椎后路融合術(shù)后力學(xué)分析
5.2 髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后力學(xué)分析
5.3 股骨頸骨折空心釘、PCCP螺釘固定術(shù)后力學(xué)分析
5.4 脛腓骨遠(yuǎn)端骨折、跟骨骨折鋼板固定力學(xué)分析
5.5 胸腰椎壓縮骨折、爆裂骨折術(shù)后力學(xué)分析
5.6 頸椎前路鋼板、鈦籠的力學(xué)分析
5.7 SCI論文寫(xiě)作分享；結(jié)合學(xué)員自己課題分析與設(shè)計(jì)思路討論
六、應(yīng)用案列解析Ⅱ
6 人體關(guān)節(jié)軟組織的三維建模（實(shí)例操作與分析）
6.1 三維建模常用影像學(xué)內(nèi)容
6.2 三維建模的基本流程及注意事項(xiàng)
6.3 實(shí)例操作：關(guān)節(jié)軟骨的Mimics三維建模
7 關(guān)節(jié)軟組織的Abaqus仿真分析（實(shí)例操作與分析）
7.1 關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)特性的研究進(jìn)展
7.2 Abaqus軟件的基本功能及參數(shù)設(shè)置
①模型導(dǎo)入；②網(wǎng)格及材料屬性；③邊界條件；④求解功能；⑤后處理
7.3 實(shí)例操作：關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)特性的Abaqus仿真
7.4 結(jié)合學(xué)員自己課題分析與設(shè)計(jì)思路討論
8 韌帶生物力學(xué)分析應(yīng)用（不作本次課上講授，可下次線下講解）
8.1膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）生物力學(xué)研究
8.2實(shí)例操作：ACL重建術(shù)的Abaqus仿真

現(xiàn)如今有限元軟件讓我們?cè)谶M(jìn)行仿真工作時(shí)變得很簡(jiǎn)單，也許可以說(shuō)是非常簡(jiǎn)單。因?yàn)槟阌幸粋€(gè)非常漂亮的圖形交互界面去引導(dǎo)你對(duì)有限元模型進(jìn)行創(chuàng)建、求解和后處理，似乎看起來(lái)并不需要去了解過(guò)多的有限元程序的內(nèi)部工作過(guò)程以及底層的理論。然而，在不了解有限元的情況下去建立分析模型，就好比沒(méi)有飛行員執(zhí)照去駕駛一架飛機(jī)。你可能能夠安全著陸，但是著陸點(diǎn)并不是你希望的地方。

這篇文章并不是專門(mén)介紹有限元理論的。它是一份能夠提供你一些建議，幫助你正確的建立、求解和后處理有限元模型的指南。本文中所涉及的技術(shù)都是基于ABAQUS軟件，但是它們大部分都能夠遷移到其他軟件中。

事先給出一些通用的建議：

即使你的設(shè)計(jì)僅需要一些數(shù)據(jù)，但你仍需要切記有限元分析的主要目的就是去理解這個(gè)系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)行仿真，你至少能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行定性的判斷。當(dāng)然，永遠(yuǎn)不要相信仿真結(jié)果，除非你對(duì)結(jié)果的合理性進(jìn)行過(guò)深入思考。

1、建立模型
1.2 基本模型定義
1.3 輸入數(shù)據(jù)
1.4 單元類型的選擇
1.5 生成網(wǎng)格
1.6 接觸設(shè)置問(wèn)題
1.7 其它考慮
如果對(duì)有限元分析不熟悉，從簡(jiǎn)單模型開(kāi)始，不要一開(kāi)始就建立復(fù)雜模型。在這個(gè)過(guò)程中確保你理解了各個(gè)操作起什么作用，不同的設(shè)置選項(xiàng)使用哪些是比較好的。如果沒(méi)有長(zhǎng)久的經(jīng)驗(yàn)積累也事先無(wú)法對(duì)結(jié)果做出預(yù)判的話，是很難從復(fù)雜模型中找到引起報(bào)錯(cuò)的問(wèn)題點(diǎn)的。
軟件程序中許多參數(shù)如果不需要你特別給定的，一般采用默認(rèn)就行。但是你需要檢查一下這些默認(rèn)設(shè)置是否正確，尤其是當(dāng)這些默認(rèn)參數(shù)對(duì)你的結(jié)果有很大影響的時(shí)候（像單元類型、材料設(shè)定等）。如果你實(shí)在不清楚這些參數(shù)的含義也不知默認(rèn)是否合適，那就參考幫助手冊(cè)。有些參數(shù)只是對(duì)求解效率有影響（如使用哪種方法求解矩陣方程），像這樣的參數(shù)并不是很重要，因?yàn)榫退氵x錯(cuò)了也不會(huì)對(duì)最終結(jié)果有太大影響。
最新的有限元分析軟件包含了很多復(fù)雜的新的技術(shù)（XFEM，單元生死、節(jié)點(diǎn)分離、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、耦合歐拉-拉格朗爾方法、SPH粒子生成法、流-固耦合、用戶自定義子程序等）。如果你想使用這些技術(shù)，最好能夠先理解并在簡(jiǎn)單模型上測(cè)試，可以建立一個(gè)很簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)模型，然后逐步施加外部工況實(shí)施上述技術(shù)。在演示中很酷炫的仿真都是經(jīng)過(guò)專家仔細(xì)篩選的，它對(duì)上述方法的學(xué)習(xí)并不一定是最典型適用的。
MIMICS是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)(CT、MRI)，建立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。