分析腰椎L4L5 6个活动自由度的应力情况
本小节将分析腰椎功能节段L4L5 在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。对L4L5 有限元模型设定边界条件，固定L5 椎体下表面，在L4椎体上表面施加均匀分布的压应力400N，模拟椎骨在中立位的负载情况。并施加力矩，将一对由集中力产生的15N·m 纯力矩施加于L4 椎体的上表面，以模拟前屈、后伸、左右侧屈和轴向旋转。
【操作步骤】
1.建立分析项目并添加材料
首先，打开Workbench软件，从工具箱中将“Static Structural”拖到工程项目管理窗口，建立结构静力分析项目。
然后，双击项目的“Engineering Data”选项，进入“Engineering Data Sources”，如图5.101（a）所示。在“Engineering Data Source”数据表中单击最底下一栏的C 列的“…”按钮［图5.22（a）］。在随之弹出的对话框中选择在第5章第2 节中建立的脊柱材料库，导入该材料库。
最后，在该材料库的“Outline of…”列表的B 列中单击所需材料的“添加”按钮，添加各项材料，如图5.101（b）所示。此时通过单击快捷工具
切换到“Outline of Schematic”列表，从中可看到所添加的材料，如图5.101（c）所示，即可完成项目所需材料的添加。
2.建立腰椎L4L5 有限元模型
进入DesignModeler 平台，导入腰椎L4L5 包含椎间盘的几何模型→线体韧带赋予横截面，退出DesignModeler →进入Mechanical 平台，对腰椎各部件分组赋值材料→小关节软骨和椎骨之间的接触设置→线体韧带的接触设置→对腰椎各部件划分网格（详见第5章第2 节），获得腰椎L4L5 有限元模型。
图5.101 添加材料到项目：（a）进入材料库；（b）添加材料；（c）已添加到项目的材料
3.施加固定约束
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Fixed Support”按钮，并使用选择面
按钮选中要固定的L5 椎体下表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮，如图5.102 所示，固定L5 椎体下表面。
4.模拟自重
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择Insert”→“Force”按钮，并使用选择面
按钮选中L4 椎体上表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮，如图5.103 所示。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“Z Component”中输入“-400”（单位为N），以模拟自重。
图5.102 固定L5 椎体下底面
图5.103 模拟自重
5.施加力矩模拟前屈
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Moment”按钮，并使用选择面
按钮选中L4 椎体上表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮，如图5.104 所示。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“X Component”中输入“15”（单位为N·m），以模拟腰椎前屈。
图5.104 模拟前屈
6.设置分析结果
在使用选择体
按钮的状态下，右击Mechanical 流程树的“Solution”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Deformation”→“Total”按钮，插入整体位移分析，如图5.105上图所示。选择“Insert”→“Stress”→“Equivalent（von-Mises）”按钮，插入整体应力分析，如图5.105 下图所示。
使用选择体按钮，选中终板，右击流程树的“Solution”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Stress”→“Equivalent（von-Mises）”按钮，插入终板应力分析。再选中椎间盘（包含纤维环和髓核），右击流程树的“Solution”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Stress”→“Equivalent（von-Mises）”按钮，插入椎间盘的应力分析。
图5.105 设置位移（上）和应力（下）分析
7.求解
选中流程树的“Solution”项，单击“Result”工具栏的“Solve”按钮，Workbench 根据所设置的约束和载荷进行计算求解。在Mechanical 界面下方的状态栏可看到完成进度。
8.查看结果
单击流程树“Solution”下插入的形变和应力项，查看相应分析结果。单击界面下方“Graph”对话框中的播放
按钮，可动画显示前屈过程中的应力情况，如图5.106所示。前屈的实验结果如表5.6 所示，椎弓根处应力较大，髓核上的应力小于纤维环，纤维环或终板的前侧应力大于后侧。
图5.106 查看结果
9.后伸体态下的应力和形变
记录前屈结果后，在参数设置表的“X Component”中输入“-15”（单位为N·m），以模拟腰椎后伸，再单击“Solve”按钮，计算结果。
10.左、右旋转体态下的应力和形变
记录后伸结果后，右击流程树“Static Structural”下的“Moment”选项，在弹出的菜单中选择“Suppress”按钮，将后伸的力矩抑制，此时该项图标显示
。
右击流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Moment”按钮，并使用选择面按钮选中L4 椎体上表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“Z Component”中先后输入“15”和“-15”（单位为N·m），分别模拟腰椎左、右旋转，计算结果。
11.左、右侧屈体态下的应力和形变
记录左、右旋转结果后，右击流程树“Static Structural”下当前的“Moment”选项，在弹出的菜单中选择“Suppress”按钮，将当前的力矩抑制。
右击流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Moment”按钮，并使用选择面按钮选中L4椎体上表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“Y Component”中先后输入“15”和“-15”（单位为N·m），分别模拟腰椎左、右侧屈，计算结果。
前屈、后伸、左右旋转和侧屈的实验结果如表5.6 所示，从中可看到椎骨和椎间盘的应力变化情况。
表5.6 腰椎L4L5 6 个活动自由度的应力（MPa）
