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文檔簡(jiǎn)介

1、ANSYS2013.06.19第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景2第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景3第一章 有限元背景 有限元法(Finite Element Method ,F(xiàn)EM)是目前在工程技術(shù)鄰域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法之一,還有邊界元法(Boundary Element Method ,BEM )、有限差分法( Finite Difference M

2、ethod ,F(xiàn)DM)等,但就其實(shí)用性和廣泛性而言,主要還是有限元法。 自從20世紀(jì)60年代Clough第一次提出有限單元法(或稱(chēng)有限元法)以來(lái),經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,如今已然成為工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算計(jì)算方法。伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,有限元法已成為CAD和CAE的重要組成部分。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying th

3、eory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.4有限元法的基本思想 將物體(即連續(xù)的求解域)離散成有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合,來(lái)模擬或逼近原來(lái)的物體,從而將一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題求解的一種數(shù)值分析方法。 node (節(jié)點(diǎn))element(單元)有限元方法將研究區(qū)域離散成許多子域,這些子域叫單元( Elements )。5第二章

4、ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景6第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計(jì)算軟件,它包括結(jié)構(gòu)、熱、電、磁、流體和聲學(xué)等諸多模塊,具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能,為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個(gè)優(yōu)良的工作環(huán)境,更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來(lái)。ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而,利用這些功能,可以實(shí)現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能,同時(shí)也為用戶(hù)自己進(jìn)行二次

5、開(kāi)發(fā)提供了友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。7ANSYS在部分工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用如下:航空航天汽車(chē)工業(yè)生物醫(yī)學(xué)橋梁、建筑電子產(chǎn)品重型機(jī)械微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)器械8ANSYS/Multiphysics 包括所有工程學(xué)科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三個(gè)主要的組成產(chǎn)品ANSYS/Mechanical - ANSYS/機(jī)械-結(jié)構(gòu)及熱ANSYS/Emag -ANSYS電磁學(xué)ANSYS/FLOTRAN - ANSYS計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)其它產(chǎn)品:ANSYS/LS-DYNA -高度非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)問(wèn)題DesignSpace CAD環(huán)境下,適合快速分析容易使用的設(shè)計(jì)和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的

6、ANSYS 分析接口。ANSYS軟件主要模塊簡(jiǎn)介9ANSYS/ FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal101. ANSYS/Mechanical:該模塊提供了范圍廣泛的工程設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化功能,這些功能包括完整的結(jié)構(gòu)、熱、壓電及聲學(xué)分析。是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)校驗(yàn)工具,可用來(lái)確定位移、應(yīng)力、作用力、溫度、壓力分布以及其它重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。ANSYS/Structural:結(jié)構(gòu)分析靜力學(xué)分析 模態(tài)分析- 計(jì)算線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析 是模態(tài)分析的擴(kuò)展

7、,用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD). 諧響應(yīng)分析 - 確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線(xiàn)變化的載荷的響應(yīng). 特征屈曲分析- 用于計(jì)算線(xiàn)性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性屈曲分析.) 11結(jié)構(gòu)-靜力學(xué)分析 靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷. 可以考慮結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性及非線(xiàn)性行為。 線(xiàn)性結(jié)構(gòu)靜力分析 非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)靜力分析 幾何非線(xiàn)性:大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力強(qiáng)化、旋轉(zhuǎn)軟化 材料非線(xiàn)性:塑性、粘彈性、粘塑性、超彈性、多線(xiàn)性彈性、蠕變、腫脹等 接觸非線(xiàn)性:面面/點(diǎn)面/點(diǎn)點(diǎn)接觸、柔體/柔體剛體接觸、熱接觸 單元非線(xiàn)性:死/活單元、鋼筋混凝土單元、非線(xiàn)性阻尼

8、/彈簧元、預(yù)緊力單元等122. ANSYS/Flotran:該程序是個(gè)靈活的CFD軟件,可求解各種流體流動(dòng)問(wèn)題,具體包括:層流、紊流、可壓縮流及不可壓縮流等。通過(guò)與ANSYS/Mechanical耦合,ANSYS/FLOTRAN是唯一一個(gè)具有設(shè)計(jì)優(yōu)化能力的CFD軟件,并且能提供復(fù)雜的多物理場(chǎng)功能。 定常/非定常分析 層流/湍流分析 自由對(duì)流/強(qiáng)迫對(duì)流/混合對(duì)流分析 可壓縮流/不可壓縮流分析 133. ANSYS/Emag:該程序是一個(gè)獨(dú)立的電磁分析軟件包,可模擬電磁場(chǎng)、靜電學(xué)、電路及電流傳導(dǎo)分析。當(dāng)該程序與其它ANSYS模塊聯(lián)合使用時(shí),則具有了多物理場(chǎng)分析功能,能夠研究流場(chǎng)、電磁場(chǎng)及結(jié)構(gòu)力學(xué)間

9、的相互影響。靜磁場(chǎng)分析計(jì)算直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)分析 計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場(chǎng)瞬態(tài)磁場(chǎng)分析計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化的電流或外界引起的磁場(chǎng) 電場(chǎng)分析用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng). 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻熱等14前處理模塊分析計(jì)算模塊后處理模塊三大模塊結(jié)構(gòu)分析:靜動(dòng)力、非線(xiàn)性熱分析(滲流分析)流體動(dòng)力學(xué)分析電磁場(chǎng)分析聲場(chǎng)分析壓電分析多物理場(chǎng)耦合分析通用后處理模塊時(shí)間歷程后處理模塊實(shí)體建模網(wǎng)格劃分ANSYS軟件的主要功能簡(jiǎn)介 15 ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊,分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊分析計(jì)算模塊后處理模塊16前處理模塊 前處理模塊

10、提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型; 分析計(jì)算模塊 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力; 后處理模塊 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來(lái),也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。 171 前處理模塊PREP7實(shí)體建模方式之一 :自頂向下 先建高級(jí)圖元,如圓柱、圓錐等自動(dòng)生成相關(guān)的面、線(xiàn)及關(guān)鍵

11、點(diǎn)自頂向下問(wèn)題:如何保證各實(shí)體的連接、交叉等關(guān)系?布爾操作181 前處理模塊PREP7(續(xù))實(shí)體建模方式之二 :自底向上 關(guān)鍵點(diǎn)自底向上線(xiàn)面體191 前處理模塊PREP7(續(xù))實(shí)體建模方式的選擇:自頂向下建模可以提高建模的效率,但在需要利用布爾操作時(shí)比較難以掌握;自底向上建模可以減少出錯(cuò)的機(jī)會(huì),但效率較低。建議:先學(xué)習(xí)自底向上后學(xué)習(xí)自頂向下20網(wǎng)格劃分方法:延伸劃分與映射劃分延伸劃分將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格映射劃分將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分,然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制,生成映射網(wǎng)格。1 前處理模塊PREP7(續(xù))21網(wǎng)格劃分方法:自由劃分和自適應(yīng)劃分自由劃分可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分

12、,避免了用戶(hù)對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)劃分先生成具有邊界條件的實(shí)體模型,用戶(hù)指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格,分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差,然后重新定義網(wǎng)格大小,再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差,直至誤差低于用戶(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。1 前處理模塊PREP7(續(xù))222 求解模塊SOLUTION結(jié)構(gòu)靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和反作用力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析,而且可以進(jìn)行非線(xiàn)性分析,如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化及接觸分析。23用來(lái)求解隨時(shí)間變化

13、的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同,動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))242 求解模塊SOLUTION(續(xù))結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的類(lèi)型:模態(tài)分析:計(jì)算線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型。譜分析:是模態(tài)分析的擴(kuò)展,用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫作響應(yīng)譜或PSD)。諧響應(yīng)分析:確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線(xiàn)變化的載荷的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析:確定結(jié)構(gòu) 對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng), 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu) 非線(xiàn)性行為。25結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線(xiàn)性問(wèn)題,包括

14、材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和單元非線(xiàn)性三種。結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))26ANSYS程序可以分析大型柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí),可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性,并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。動(dòng)力學(xué)分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))27用于計(jì)算線(xiàn)性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀 (結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性屈曲分析) 。特征屈曲分析斷裂分析復(fù)合材料分析疲勞分析專(zhuān)項(xiàng)分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))28ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動(dòng)力學(xué)分析以外,還提供了顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA。顯式動(dòng)力學(xué)分析2 求解模塊SOLUT

15、ION(續(xù))292 求解模塊SOLUTION(續(xù))顯式動(dòng)力學(xué)分析的特點(diǎn):用于模擬非常大的變形,慣性力占支配地位,并考慮所有的非線(xiàn)性行為。它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問(wèn)題,是目前求解這類(lèi)問(wèn)題最有效的方法。30熱分析之后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力。ANSYS熱分析功能:相變(熔化及凝固)內(nèi)熱源(如電阻發(fā)熱等)三種熱傳遞方式(熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射)ANSYS熱分析計(jì)算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布,以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等。熱分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))31磁場(chǎng)分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁

16、通量泄漏等。磁場(chǎng)可由電流、永磁體、外加磁場(chǎng)等產(chǎn)生。磁場(chǎng)分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))322 求解模塊SOLUTION(續(xù))磁場(chǎng)分析的類(lèi)型:靜磁場(chǎng)分析:計(jì)算直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)分析:計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。瞬態(tài)磁場(chǎng)分析:計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化的電流或外界引起的磁場(chǎng)。33用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng)。 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻熱等。電場(chǎng)分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))34用于微波及RF無(wú)源組件,波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸連接器等分析。高頻電磁場(chǎng)分析同軸電纜中的電場(chǎng) (EFSUM) 35用于確定流體的流動(dòng)及熱行為流體分析2 求解模塊SOLUTI

17、ON(續(xù))流體分析的分類(lèi):CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析功能,包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流,以及多組份流等。應(yīng)用于:航空航天,電子元件封裝,汽車(chē)設(shè)計(jì)。36聲學(xué)分析 - 考慮流體介質(zhì)與周?chē)腆w的相互作用, 進(jìn)行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析等。例如:揚(yáng)聲器、汽車(chē)內(nèi)部、聲納。典型的物理量是:壓力分布、位移和自振頻率。容器內(nèi)流體 分析 - 考慮容器內(nèi)的非流動(dòng)流體的影響。可以確定由于晃動(dòng)引起的靜水壓力。例如:油罐,其它液體容器。流體動(dòng)力學(xué)耦合分析 - 在考慮流體約束質(zhì)量的動(dòng)力響應(yīng)基礎(chǔ)上,在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中使用流體耦合單元。2 求解模塊SOLUTION(續(xù))3

18、7考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響,單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可能得到正確結(jié)果的,因此你需要一個(gè)能夠?qū)蓚€(gè)物理場(chǎng)組合到一起求解的分析軟件。例如:在壓電力分析中,需要同時(shí)求解電壓分布(電場(chǎng)分析)和應(yīng)變(結(jié)構(gòu)分析)。耦合場(chǎng)分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))38典型耦合場(chǎng)分析:熱應(yīng)力分析流體結(jié)構(gòu)相互作用感應(yīng)加熱(電磁熱)壓電分析(電場(chǎng)和結(jié)構(gòu))聲學(xué)分析(流體和結(jié)構(gòu))熱-電分析靜電-結(jié)構(gòu)分析兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起,圖示為加熱后的變形。2 求解模塊SOLUTION(續(xù))393 后處理模塊POST1和POST26這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如,計(jì)

19、算結(jié)果(如應(yīng)力)在模型上的變化情況可用等值線(xiàn)圖表示,不同的等值線(xiàn)顏色代表了不同的值(如應(yīng)力值)。POST1這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果,如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過(guò)繪制曲線(xiàn)或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其他量變化的曲線(xiàn),有助于形象化地表示分析結(jié)果。POST2640ANSYS應(yīng)用的成功案例高爾夫球桿擊打過(guò)程模擬高爾夫球桿模型擊打過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)41ANSYS應(yīng)用的成功案例平板軋制過(guò)程的有限元模擬三維彈性輥軋制過(guò)程計(jì)算模型輥軋制過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示42第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于AN

20、SYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景43第三章 ANSYS的基本過(guò)程一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程可分為以下3個(gè)步驟:前處理求解后處理443.1 前處理前處理指定工程名稱(chēng)和分析標(biāo)題定義單位定義單元類(lèi)型定義單元常數(shù)創(chuàng)建橫截面定義材料特性創(chuàng)建有限元模型定義分析類(lèi)型求解控制加載453.1.1 指定工程名稱(chēng)和分析標(biāo)題更改工程名定義分析標(biāo)題463.1.2 定義單位除電磁分析以外,你不必為ANSYS設(shè)置單位系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地確定你將采用的單位制,然后保證所有輸入數(shù)據(jù)均采用該種單位制就可以。你確定的單位制將影響尺寸、實(shí)常數(shù)、材料特性和載荷等的輸入值。ANSYS 不進(jìn)行單位換算! 它只是簡(jiǎn)單地接受所輸入的數(shù)據(jù)

21、而不會(huì)懷疑它們的合法性。命令/UNITS允許你指定單位制, 但它只是一個(gè)紀(jì)錄設(shè)計(jì),從而讓使用你模型的用戶(hù)知道你所用的單位。473.1.2 定義單位(續(xù))使用/UNITS命令可以設(shè)置系統(tǒng)單位,沒(méi)有相應(yīng)的GUI。USER:用戶(hù)自定義單位,是缺省設(shè)置SI:國(guó)際單位制,m, kg, s, BFT:以英尺為基礎(chǔ)的單位制,ft, slug, s, FCGS:cm, g, s, MPA:mm, mg, s, BIN:以英寸為基礎(chǔ)的單位制in, lbm, s, F483.1.3 定義單元類(lèi)型BEAMCIRCUitCOMBINationCONTACtFLUIDHF(High Frequency)HYPERela

22、sticINFINiteLINKMASSMATRIXMESHPIPEPLANEPRETS(pretension)SHELLSOLIDSOURCeSURFaceTARGEtTRANSducerUSERVISCOelastic493.1.4 定義單元常數(shù)單元實(shí)常數(shù)是由單元類(lèi)型的特性決定的,如梁?jiǎn)卧臋M截面特性。并不是所有的單元類(lèi)型都需要實(shí)常數(shù),同類(lèi)型的不同單元也可以有不同的實(shí)常數(shù)。指定單元的實(shí)常數(shù)號(hào)503.1.5 創(chuàng)建橫截面創(chuàng)建梁的橫截面513.1.6 定義材料特性定義材料特性指定單元材料號(hào)52533.1.7 定義分析類(lèi)型求解控制定義分析類(lèi)型求解控制基本設(shè)置瞬態(tài)設(shè)置求解選項(xiàng)非線(xiàn)性設(shè)置求解終止的高級(jí)

23、控制54包括:自由度約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場(chǎng)載荷載荷步:僅指可求得解的載荷設(shè)置。子步:是指在一個(gè)載荷步中每次增加的步長(zhǎng),主要是為了在瞬態(tài)分析和非線(xiàn)性分析中提高分析精度和收斂性。子步也稱(chēng)作時(shí)間步,代表一段時(shí)間。3.1.8 加載553.2 求解求解當(dāng)前載荷步求解某載荷步563.3 通用后處理器畫(huà)出分析的結(jié)果用列表的形式列出分析的結(jié)果查詢(xún)某些結(jié)點(diǎn)或者單元處的應(yīng)力值以及其它分析選項(xiàng)57Deformed Shape表示畫(huà)出變形后的形狀。有如下選項(xiàng):3.3.1 畫(huà)出分析的結(jié)果583.3.2 畫(huà)出節(jié)點(diǎn)的結(jié)果59位移轉(zhuǎn)角3.3.3 求解自由度結(jié)果60正應(yīng)力和剪應(yīng)力主應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度平均等

24、效應(yīng)力3.3.4 求解應(yīng)力結(jié)果61正應(yīng)變和剪應(yīng)變主應(yīng)變應(yīng)變強(qiáng)度平均等效應(yīng)變3.3.5 求解總應(yīng)變結(jié)果62求解能量彈性應(yīng)變?nèi)渥兤渌鼞?yīng)變正應(yīng)變和剪應(yīng)變主應(yīng)變應(yīng)變強(qiáng)度平均等效應(yīng)變3.3.6 其它求解結(jié)果633.3.7 圖形輸出選項(xiàng)只畫(huà)出變形后的圖形畫(huà)出變形前后的圖形畫(huà)出變形后的圖形和變形前的邊界圖643.4 時(shí)間歷程后處理器適用于:瞬態(tài)分析的后處理。653.5 懸壁梁算例使用ANSYS分析一個(gè)工字懸壁梁,如圖所示。PPoint ALH求解在力P作用下點(diǎn)A處的變形,已知條件如下:P = 4000 lbL = 72 inI = 833 in4E = 29 E6 psi橫截面積 (A) = 28.2 in

25、2H = 12.71 in661.啟動(dòng) ANSYS:以交互模式進(jìn)入ANSYS,工作文件名為beam。2.創(chuàng)建基本模型:(使用帶有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的線(xiàn)模擬梁,梁的高度及橫截面積將在單元的實(shí)常數(shù)中設(shè)置)a.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS.b.輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào) 1,輸入x,y,z坐標(biāo) 0,0,0,選擇 Applyc.輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào) 2,輸入x,y,z坐標(biāo)72,0,0,選擇 OKd.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight L

26、inee.選取兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),在拾取菜單中選擇OK673.存儲(chǔ)ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù):Toolbar: SAVE_DB4.設(shè)定分析模塊:a.Main Menu: Preferencesb.選擇 Structural.c. 選擇 OK.5.設(shè)定單元類(lèi)型相應(yīng)選項(xiàng):a.Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleteb.選擇 Add . . .c.左邊單元庫(kù)列表中選擇 Beam.d.在右邊單元列表中選擇 2D elastic (BEAM3).e.選擇 OK 接受單元類(lèi)型并關(guān)閉對(duì)話(huà)框.f.選擇 Close 關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話(huà)框.686.定義實(shí)常數(shù):a.Main M

27、enu: Preprocessor Real Constantsb.選擇 Add . . .c.選擇 OK 定義BEAM3的實(shí)常數(shù).d.選擇 Help 得到有關(guān)單元 BEAM3的幫助.e.查閱單元描述.f.File Exit 退出幫助系統(tǒng).g.在AREA框中輸入 28.2 (橫截面積).h.在IZZ框中輸入 833 (慣性矩).i.在HEIGHT框中輸入 12.71 (梁的高度).j.選擇 OK 定義實(shí)常數(shù)并關(guān)閉對(duì)話(huà)框.k.選擇 Close 關(guān)閉實(shí)常數(shù)對(duì)話(huà)框.697.定義材料屬性:a.Preprocessor Material Props -Constant- Isotropicb.選擇 OK

28、 to 定義材料 1.c.在EX框中輸入29e6(彈性模量).d.選擇OK 定義材料屬性并關(guān)閉對(duì)話(huà)框.8.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)文件 beamgeom.db:a.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名 beamgeom.db.c.選擇 OK 保存文件并退出對(duì)話(huà)框.709.對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格:a.Main Menu: Preprocessor MeshToolb.選擇 Mesh.c.拾取 line.d.在拾取對(duì)話(huà)框中選擇 OK.e.(可選) 在MeshTool對(duì)話(huà)框中選擇 Close.10.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)到文件 beammesh.db:a.Utility Menu

29、: File Save asb.輸入文件名: beammesh.db.c.選擇 OK 保存文件并退出對(duì)話(huà)框.7111.施加載荷及約束:a.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodesb.拾取最左邊的節(jié)點(diǎn),在拾取菜單中選擇 OK.c. 選擇All DOF.d. 選擇 OK. (如果不輸入任何值,位移約束默認(rèn)為0)e.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Force/Moment On Nodesf.拾取最右邊的節(jié)點(diǎn),在選取對(duì)話(huà)框中選擇OK.g.選擇

30、FY.h.在 VALUE框中輸入 -4000,選擇 OK. 7212.保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件到 beamload.db:a.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名 beamload.db.c.選擇OK保存文件并關(guān)閉對(duì)話(huà)框.13.進(jìn)行求解:a.Main Menu: Solution -Solve- Current LSb.查看狀態(tài)窗口中的信息, 然后選擇 File Closec.選擇 OK開(kāi)始計(jì)算.d.當(dāng)出現(xiàn) “Solution is done!” 提示后,選擇OK關(guān)閉此窗口.14.進(jìn)入通用后處理讀取分析結(jié)果:Main Menu: General Postproc -Read

31、 Results- First Set7315.圖形顯示變形:a.Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shapeb.在對(duì)話(huà)中選擇 deformed and undeformed.c.選擇 OK.16.(可選) 列出反作用力:a.Main Menu: General Postproc List Results Reaction Solub.選擇 OK 列出所有項(xiàng)目,并關(guān)閉對(duì)話(huà)框.c.看完結(jié)果后,選擇File Close 關(guān)閉窗口.17.退出ANSYS:a.工具條: Quitb.選擇Quit - No Save!c.選擇 OK.18.

32、與彈性梁理論計(jì)算對(duì)比: ya = (PL3)/(3EI) = 0.0206 in.兩個(gè)結(jié)果一致.74第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景75第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例軸承座結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析創(chuàng)建軸承座 的幾何模型(下圖是軸承系統(tǒng)示意圖),建模的步驟是:創(chuàng)建體素、平移并旋轉(zhuǎn)工作平面、進(jìn)行體素間的布爾操作。幾何模型劃分網(wǎng)格、加載、進(jìn)行求解。軸瓦軸軸承座軸承系統(tǒng) (分解圖)763.8 練習(xí):軸承座(續(xù))Arch of bushing bracketBase of bushin

33、g bracketWebs (2)Mounting holes (4)Base of pillow block軸承座的各部分名稱(chēng)770.85” Bushing radius1.0” Counterbore radius0.1875” deep3.8 練習(xí):軸承座(續(xù))Base6” x 3” x 1”1.5”.75”.75”Web .15”thick尺寸1.75”.75”.75”1.5”0.85”1”BushingCLBracket 0.75” thickFour .75” dia. holes783.8 練習(xí):軸承座(續(xù))四個(gè)安裝孔徑向約束 (對(duì)稱(chēng))軸承座底部約束 (UY=0)載荷counte

34、rbore 上的推力 (1000 psi.)向下作用力 (5000 psi.)793.8 練習(xí):軸承座(續(xù))1. 讀入數(shù)據(jù)庫(kù)文件 base.db.Utility Menu: File - Resume from .選擇base.db或使用命令:RESUME,base,db803.8 練習(xí):軸承座(續(xù))2. 創(chuàng)建支撐部分.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on)Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z1.

35、在創(chuàng)建實(shí)體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值:WP X = 0WP Y = 1Width = 1.5Height = 1.75Depth = 0.752.OK813.8 練習(xí):軸承座(續(xù))Utility Menu: PlotCtrls - Numbering .3.打開(kāi) “Volume Numbering”4.OKToolbar: SAVE_DB823.8 練習(xí):軸承座(續(xù))3. 偏移工作平面到 bushing bracket 的前表面.Utility Menu: WorkPlane -Offset WP to -Keypoints + 1.在剛剛創(chuàng)建的實(shí)體塊的左上角拾取關(guān)鍵點(diǎn)2.OKToolbar:

36、SAVE_DB (SAVE_DB 保存數(shù)據(jù)庫(kù)或拾取 RESUM_DB 取消上一次操作)833.8 練習(xí):軸承座(續(xù))4. 創(chuàng)建 bushing bracket的上部.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder +1.在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 1.5Theta-2 = 90Depth = -0.752.OKToolbar: SAVE_DB (SAVE_DB 保存數(shù)據(jù)庫(kù)或拾取 RESUM_

37、DB 取消上一次操作)843.8 練習(xí):軸承座(續(xù))5. 在軸承孔的位置創(chuàng)建圓柱體為布爾操作生成軸孔做準(zhǔn)備.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 1Depth = -0.18752.拾取 Apply3.輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 0.85Depth = -24.拾取 OK853.8 練習(xí):軸承座(續(xù))6. 從counterbore and bushing“減”去圓柱體形成軸孔

38、.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1.拾取構(gòu)成bushing bracket 的兩個(gè)體,作為布爾“減”操作的母體。2.Apply3.拾取counterbore圓柱作為“減”的對(duì)象。4.Apply5.拾取步1中的兩個(gè)體6.Apply7.拾取小圓柱體8.OKToolbar: SAVE_DB863.8 練習(xí):軸承座(續(xù))7.調(diào)整工作平面并重新設(shè)置snap increment值創(chuàng)建 web.Utility Menu:WorkPlane-Align WP with-Keypoints+1.反時(shí)針?lè)较蚴叭〖^

39、所示三點(diǎn),當(dāng)出現(xiàn)“multiple entities exist at this location ” 信息時(shí)選擇OK (拾取任一點(diǎn)時(shí)都將出現(xiàn)此信息)2.OKUtility Menu: WorkPlane - WP Settings .3.在 “Snap Incr”下輸入 .054.OK Toolbar: SAVE_DB1stpick2ndpick3rdpick873.8 練習(xí):軸承座(續(xù))8. 創(chuàng)建 Web.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Prism - By Vertices + 1.拾取軸承孔座與整個(gè)基座的交點(diǎn)wp(0

40、,0)2.拾取軸承孔上下兩個(gè)體的交點(diǎn)wp(0,1.75)3.拾取整個(gè)基座的左邊中點(diǎn)wp(-2.25,0)4.重新拾取第一點(diǎn)wp(0,0),這時(shí)已經(jīng)完成 了Web的三角形側(cè)面的建模。 5.拖拉Web的厚度“.15”,厚度的方向是向軸 承孔中心。6.OKToolbar: SAVE_DB883.8 練習(xí):軸承座(續(xù))9. 關(guān)閉 working plane display.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)10. 沿坐標(biāo)平面鏡射生成整個(gè)模型.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Ref

41、lect - Volumes +1.拾取All2.拾取 “Y-Z plane X”3.OKToolbar: SAVE_DB893.8 練習(xí):軸承座(續(xù))11. 粘接所有體.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volumes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB903.8 練習(xí):軸承座(續(xù))12. 定義 10-節(jié)點(diǎn) 四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元 (SOLID92) 為單元類(lèi)型 1.Main Menu: Preprocessor - Element Type - Add/Edit/Delete .1.Add2.選

42、擇 Structural-Solid, 并下拉菜單選擇 “Tet 10Node 92”3.OK4.Close913.8 練習(xí):軸承座(續(xù))13. 定義材料特性.Main Menu: Preprocessor - Material Props - Constant-Isotropic.1.OK (將材料號(hào)設(shè)定為 1)2.在 “Youngs Modulus EX” 下輸入:30e63.OKToolbar: SAVE_DB923.8 練習(xí):軸承座(續(xù))14. 用網(wǎng)格劃分器MeshTool將幾何模型劃分單元.Main Menu: Preprocessor - MeshTool.1.將智能網(wǎng)格劃分器(

43、Smart Sizing )設(shè)定為 “on”2.將滑動(dòng)碼設(shè)置為 “8” (可選: 如果你的機(jī)器速度很快,可將其設(shè)置為“7”或更小值來(lái)獲得更密的網(wǎng)格)3.確認(rèn) MeshTool的各項(xiàng)為: Volumes, Tet, Free4.MESH933.8 練習(xí):軸承座(續(xù))5.Pick All說(shuō)明: 如果在網(wǎng)格劃分過(guò)程中出現(xiàn)任何信息,拾取 “OK” 或 “Close”。 劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)格密度可由滑動(dòng)碼控制,滑動(dòng)碼的調(diào)節(jié)范圍從0-10,當(dāng)數(shù)值較大時(shí)網(wǎng)格稀疏,反之,網(wǎng)格加密。 6.關(guān)閉 MeshToolUtility Menu: PlotCtrls - Style - Size and Shape7.選擇 2

44、 facets/element edgeToolbar: SAVE_DB943.8 練習(xí):軸承座(續(xù))15. 約束四個(gè)安裝孔.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas +1.繪出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas)2.拾取四個(gè)安裝孔的8個(gè)柱面說(shuō)明:在拾取時(shí),按住鼠標(biāo)的左鍵便有實(shí)體增亮顯示,拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)顯示的實(shí)體隨之改變,此時(shí)松開(kāi)左鍵即選中此實(shí)體。 3.OK 953.8 練習(xí):軸承座(續(xù))16. 在整個(gè)基座的底部施加位移約束 (UY=0).M

45、ain Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines +1.拾取基座底部的所有線(xiàn),在picking menu 中的 “count” 應(yīng)等于 6。2.OK3.選擇 UY 作為約束自由度。4.OKToolbar: SAVE_DB 963.8 練習(xí):軸承座(續(xù))17. 在軸承孔圓周上施加推力載荷.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取counterbore上寬度為 .1875”的所有面 2.OK3.輸入面上的

46、壓力值“1000 ”4.Apply5.Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 6.用箭頭顯示壓力值,(“Show pres and convect as”)7.OK973.8 練習(xí):軸承座(續(xù))18. 在軸承孔的下半部分施加徑向壓力載荷.這個(gè)載荷是由于手重載的軸承受到支撐作用而產(chǎn)生的。While still in - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取寬度為.85” 的所有柱面2. OK3. 輸入壓力值 50004. OKToolbar: SAVE_DB983.8 練習(xí):軸承座(續(xù))19. 求解.M

47、ain Menu: Solution - Solve-Current LS1. 瀏覽 status window 中出現(xiàn)的信息, 然后關(guān)閉此窗口。2. OK (開(kāi)始求解). 關(guān)閉由于單元形狀檢查而出現(xiàn)的警告信息。3. 求解結(jié)束后,關(guān)閉信息窗口。993.8 練習(xí):軸承座(續(xù))20. 繪等效應(yīng)力 (von Mises) 圖.Main Menu: General Postproc - Plot Results - Contour Plot-Nodal Solu1.選擇 stress2.選擇 von Mises3.OK1003.8 練習(xí):軸承座(續(xù))21. 變形動(dòng)畫(huà).Utility Menu: Plo

48、tCtrls - Animate - Deformed Results .1.選擇 stress2.選擇 von Mises3.OK播放變形動(dòng)畫(huà), 拾取MediaPlayer的 “” 鍵。22. Exit.Toolbar: QUIT1.Save Everything2.OK101第二章 ANSYS軟件簡(jiǎn)介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過(guò)程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景1021.引言2. 腰椎解剖結(jié)構(gòu)3. 基于CT圖像在Mimics軟件中初步建立腰椎椎體 三維模型4. 基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建腰椎全模型5. 基于Hype

49、rmesh的有限元前處理6. 基于ANSYS 的有限元計(jì)算及后處理第五章 基于ANSYS的生物力學(xué)應(yīng)用 腰椎L45有限元分析的算例1031.引言腰椎作為軀干與骨盆的唯一聯(lián)系,其承受的負(fù)荷在脊柱中居首,并能在三維空間內(nèi)完成大范圍的生理活動(dòng),因此椎體承受的載荷也是多種多樣,包括:壓縮、牽拉、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲。這些載荷的綜合作用,極易使腰椎發(fā)生損傷和蛻變而導(dǎo)致功能紊亂,腰痛的許多問(wèn)題都與此密切相關(guān)。隨著對(duì)脊柱疾病的認(rèn)識(shí)不斷深入,對(duì)其力學(xué)性能的要求也相應(yīng)的提高,但是脊柱及椎體具有非對(duì)稱(chēng)的復(fù)雜外形,組成的物質(zhì)亦不均勻,因此其生物力學(xué)特性難以分析。以前對(duì)人體骨骼的重建主要是基于人體尸骨的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的,或

50、者通過(guò)CAD軟件進(jìn)行曲面擬合的效果不同程度的給骨骼的重建的結(jié)果帶來(lái)一定的偏差,而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。104 本文基于CT圖像,在Mimics軟件中初步建立腰椎椎體三維模型,再基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建腰椎全模型,并在Hypermesh中進(jìn)行有限元前處理,從而建立出更精確的三維腰椎有限元模型,最后在ANSYS中求解計(jì)算,進(jìn)行腰椎生物力學(xué)的研究!1052.腰椎解剖結(jié)構(gòu)介紹1.椎體間的連結(jié) 1)椎體 2)椎間盤(pán) 3)上、下軟骨終板 皮質(zhì)骨 纖維環(huán) 松質(zhì)骨 髓核 后部結(jié)構(gòu)4)韌帶 前縱韌帶 作用:防止脊柱過(guò)度后伸和椎間盤(pán)向前脫出 后縱韌帶 作用:限制脊柱過(guò)度前屈2.椎弓間的連結(jié)1)黃韌帶 作

51、用:協(xié)助圍成椎管,限制脊柱過(guò)度前屈2)棘間韌帶 3)棘上韌帶 4)橫突間韌帶 5)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié) 106椎間盤(pán)棘上韌帶棘間韌帶髓核纖維環(huán)前縱韌帶椎弓后縱韌帶棘突椎間孔髓核纖維環(huán)前縱韌帶后縱韌帶黃韌帶橫突關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)107 3.基于CT圖像在Mimics軟件中重建 腰椎椎體三維模型1.Mimics軟件簡(jiǎn)介 Mimics是Materialise公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)。它是模塊化結(jié)構(gòu)的軟件,分為基礎(chǔ)模塊:1) 圖像導(dǎo)入:支持大多數(shù)圖像格式的導(dǎo)入。 2) 圖像分割:提供灰度閾值、區(qū)域生長(zhǎng)、形態(tài)學(xué)操作、布爾操作、動(dòng)態(tài)區(qū)域生長(zhǎng)、多層編輯等分割工具。3 )圖像可視化:提供原始數(shù)據(jù)的軸狀、冠狀和矢狀視圖;提

52、供根據(jù)感興趣區(qū)域重建得到的三維試圖、并可以進(jìn)行三維試圖的平移,縮放和旋轉(zhuǎn)。同時(shí)能夠剪裁三維模型。 4) 圖像配準(zhǔn):提供圖像配準(zhǔn)、點(diǎn)配準(zhǔn)和STL配準(zhǔn)功能。 5) 圖像測(cè)量:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量、輪廓線(xiàn)和灰度值測(cè)量、密度測(cè)量。 可選模塊: 快速成型(RP)切片模塊、MedCAD模塊、仿真模塊、STL+模塊 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。 MIMICS FEA模塊MIMICS FEA模塊可以將

53、掃描輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,輸出相應(yīng)的文件格式,用于FEA(有限元分析)及CFD(計(jì)算機(jī)模擬流體動(dòng)力學(xué)),用戶(hù)可用掃描數(shù)據(jù)建立3D模型,然后對(duì)表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在FEA分析中。FEA模塊中的網(wǎng)格重新劃分功能對(duì)FEA的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行最大限度的優(yōu)化,基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位,可以對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行材質(zhì)分配。 108 2.數(shù)據(jù)來(lái)源 建模數(shù)據(jù)取自某成年男性患者的L4L5腰椎活動(dòng)節(jié)段的CT斷層掃描圖像。采用螺旋CT掃描器腰椎節(jié)段,即從L4上終板至L5下終板,掃描厚度為1.0mm,共得到171張圖片,各斷層圖像以512X512像素的DICOM格式保存。1093.將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件,建立三維腰椎椎體模

54、型1)將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件;2)進(jìn)行閾值分析 ,綠色顯示(如下圖)的是根據(jù)CT圖像灰度所生成的閾值 ,一般不需要調(diào)節(jié) ,根據(jù)需要可以適當(dāng)調(diào)整,一般骨的閾值2123071;3)區(qū)域增長(zhǎng),提取所取閾值的組織(這指腰椎的椎體部分);4)對(duì)二維圖像進(jìn)行處理,由于生成的椎體中間有很多的空洞,這在后面的處理中會(huì)有很大的麻煩 ,所以要求仔細(xì)的一幅一幅對(duì)CT圖片進(jìn)行修改,就是把椎體邊緣補(bǔ)充完整;1105) 3D Calculate形成三維圖形。1114. 進(jìn)入migics9.9 (Mimics自帶的FEA模塊中Remesh功能),重新劃分修飾網(wǎng)格功能初步修潔椎體三維模型。 通過(guò)上述步驟建立的腰椎椎

55、體模型是由三角片組成的面網(wǎng)格模型,表面非常粗糙,有多處尖刺或突起,內(nèi)部有很多空洞和一些雜亂三角片等等一些問(wèn)題,因此需要在下圖所示模塊中進(jìn)行合理的修飾與調(diào)整,修整后退回Mimics環(huán)境并最終形成三維蒙面,并以stl格式保存導(dǎo)出。具體步驟如下流程圖:112 Migics9.9中優(yōu)化模型三角片流程圖否1134.基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建 腰椎全模型1.Geomagic Studio軟件簡(jiǎn)介 Geomagic是一家世界級(jí)的軟件及服務(wù)公司,在眾多工業(yè)領(lǐng)域,比如汽車(chē)、航空、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品,許多專(zhuān)業(yè)人士在使用Geomagic軟件。公司旗下主要產(chǎn)品為Geomagic Studio、Geomagi

56、c Qualify和Geomagic Piano,其中Geomagic Studio是被廣泛應(yīng)用的逆向軟件。 將實(shí)物零部件轉(zhuǎn)化為可制造的數(shù)字模型的唯一全面的解決方,Geomagic Studio可根據(jù)任何實(shí)物零部自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。作為全球首選的自動(dòng)化逆向工程軟件,Geomagic Studio 還為新興應(yīng)用提供了理想的選擇,如定制設(shè)備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動(dòng)重造。只有Geomagic Studio 具有下述所有特點(diǎn): 確保完美無(wú)缺的多邊形和NURBS模型處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時(shí),生產(chǎn)率比傳統(tǒng)CAD軟件提高十倍 自動(dòng)化特征和簡(jiǎn)化的工作流程可縮短培訓(xùn)時(shí)間,并使用

57、戶(hù)可以免于執(zhí)行單調(diào)乏味、勞動(dòng)強(qiáng)度大的任務(wù) 可與所有主要的三維掃描設(shè)備和CAD/CAM 軟件進(jìn)行集成 能夠作為一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序運(yùn)用于快速制造,或者作為對(duì) CAD 軟件的補(bǔ)充 。1142.在Geomagic中對(duì)上述椎體進(jìn)行進(jìn)一步修潔1)區(qū)分皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨,并驗(yàn)證 在矢狀面內(nèi),通過(guò)在Mimics(左圖)與Geomagic(右圖)軟件中分別測(cè)量椎體同一部位的厚度值,從而判斷出皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨,并得到充分的驗(yàn)證。115 2)對(duì)椎體皮質(zhì)骨表面進(jìn)行處理 通過(guò)選取整個(gè)椎體表面,然后反選,并刪除所選,從而得到皮質(zhì)骨 表面進(jìn)行下面處理。在Geomagic中對(duì)椎體皮質(zhì)骨進(jìn)行進(jìn)一步修潔流程圖116圖1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 圖2 對(duì)椎體進(jìn)行進(jìn)一步修潔圖3 提取皮質(zhì)骨 在逆向工程軟件Geomagic中對(duì)修潔完的圖形進(jìn)行去除噪聲、填充孔、砂紙打磨、修復(fù)邊界和去除特征,曲面片修復(fù)等處理,最終擬合曲面片,形成NURBS曲面,并以iges格式保存。117圖6 NURBS曲面圖4 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處理及對(duì)稱(chēng)處理注:從圖1到圖4均為Geomagic中多邊形階段處理,圖5到圖6為形狀處理(曲面片)階段處理。

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