【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及软组织力学建模，具体涉及一种适用于j型软组织的本构建模方法。
技术介绍
1、随着力学、光学实验装置精度的提升，针对软组织建模提供了更多的物理信息。生物在漫长的进化过程中，软组织逐渐发展成为自然界中最为卓越的材料之一，具备了极为出色的变形能力。如何复现天然组织的力学特性，始终是材料科学和力学领域的研究目标。软组织的结构由多种成分混合而成，展现出显著的整体力学特性，尤其是在大变形方面，这一特性已成为生物工程中的一个重要研究课题。科学家们致力于深入探究其复杂的力学机理，以期能够精确预测这些材料的力学行为。因此，开发能够有效描述不同长度尺度上力学特征的本构模型，显得尤为重要。
2、在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：研究软组织的一个关键技术方法是本构建模。传统的生物软组织建模通常依赖于应变量的张量不变量，常采用指数函数或幂律函数。这些基于不变量的公式在拟合过程中表现出了较好的精度，但其突出的不足之处在于本构模型中的参数物理意义较为不明确，无法分离各个组分的力学贡献，同时未能考虑纤维的复杂运动。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本专利技术提供了一种适用于j型软组织的本构建模方法，解决了现有技术中本构模型中的参数物理意义不明确、无法定量表达纤维运动的技术问题。
2、本专利技术提供了一种适用于j型软组织的本构建模方法，包括以下步骤：
3、步骤s1、采用组织染色方法对软组织进行处理，获取软组织中基质、胶原纤维和弹性纤维
4、步骤s2、根据所述基质中的间质细胞与内皮细胞的特性确定具有各向同性的基质项；基于胶原纤维的卷曲拉直、纤维旋转和纤维间的滑移的特性确定胶原纤维项；基于弹性纤维的纤维旋转特性确定弹性纤维项；
5、步骤s3、将所述基质项、胶原纤维项和弹性纤维项进行结合，获取待定参数模型；
6、步骤s4、将所述软组织中基质、胶原纤维和弹性纤维的体积分数加入所述待定参数模型；采用最近全局寻优的差分进化算法，求解所述待定参数模型中的待定参数，获取超弹性本构模型；
7、步骤s5、采用所述超弹性本构模型获取软组织纤维的多个力学参数。
8、优选地，步骤s1具体包括：
9、使用不同的染色试剂对软组织中的基质、胶原纤维和弹性纤维进行标记和染色，通过光学显微镜对染色后的软组织进行图像采集和分析，利用图像分析软件分别计算软组织中基质、胶原纤维和弹性纤维的体积分数。
10、优选地，步骤s2具体包括：
11、步骤s2-1、对间质细胞与内皮细胞组成的基质，基于各向同性特性建立基质项，所述基质项基于基质的应变张量、基质的刚度参数和第一应变张量不变量计算基质的应力响应；
12、步骤s2-2、基于胶原纤维的卷曲拉直、纤维旋转和纤维间的滑移的特性建立胶原纤维项，所述胶原纤维项包括纤维拉伸应力响应和滑移应力响应；
13、步骤s2-3、将含旋转运动的弹性纤维的应力响应建立弹性纤维项，所述弹性纤维项基于弹性纤维的模量和应变，计算弹性纤维的应力响应。
14、优选地，步骤s2-1中，所述基质的应力响应sm的表达式为：
15、
16、其中，κm表示基质的刚度参数，i1表示第一应变张量不变量；p为lagrange乘子；c表示cauchy-green应变张量。
17、优选地，步骤s2-2具体包括：
18、步骤s2-2-1、确定单根纤维的卷曲拉直的过程中单根纤维的波纹度与单轴应变的关系特性，基于单根纤维的所述关系特性确定纤维集合的卷曲拉直应力响应；
19、步骤s2-2-2、基于所述卷曲拉直应力响应，结合纤维旋转特性，确定纤维拉伸应力响应；
20、步骤s2-2-3、基于胶原纤维的滑移特性，确定纤维集合的滑移应力响应。
21、优选地，所述步骤s2-2-2中，所述卷曲拉直应力响应sf表达式为：
22、
23、其中，nf为原纤维数量，κc表示胶原纤维的刚度参数，dc表示胶原纤维在变形过程中的非线性程度的参数；θ是沿周向轴标定角度，γc(θ)为沿周向轴标定角度的正态分布，λx,λy分别为x和y轴的伸长率，为纤维束的单轴应变，α表示纤维滑移长度与承载伸长量的比，λf为除纤维滑移外的总拉伸，d(w)表示纤维的波纹度w符合正态分布，n为组织空间中的方向，表示外积。
24、优选地，所述步骤s2-2-3中，所述纤维集合的滑移应力响应spg的表达式为：
25、
26、其中，κpg表示多根原纤维构成的胶原纤维的平均刚度，dpg表示胶原纤维在滑移变形过程中的非线性程度的参数，表示纤维束的滑移应变，d(λf)表示波纹度正态分布代入λf的值，d是纤维间的间距，lf是单根胶原纤维的弧长。
27、优选地，所述步骤s2-3中，所述弹性纤维的应力响应se的表达式为：
28、
29、其中，κe是有效弹性蛋白纤维的模量，ef为弹性蛋白纤维应变，de为弹性纤维在变形过程中的非线性程度的参数。
30、优选地，所述步骤s3中所述待定参数模型的表达式为：
31、
32、其中，s表示组织水平应力响应，θi表示第i个周向轴标定角度，nc表示胶原纤维项受力后表现的典型方向个数，ne表示弹性纤维项受力后表现的典型方向个数，ni表示第i个典型方向，φc,φe,φm分别为胶原纤维、弹性纤维和基质项的体积分数。
33、优选地，将步骤s1中通过实验测测量得到的基质、胶原纤维和弹性纤维的体积分数代入所述待定参数模型，然后使用差分进化算法对参数进行拟合，损失函数为：
34、
35、其中，是第j个数据1方向的实验数据，是第j个数据2方向的模型计算值。n表示测试点中的数据个数，包括周向和径向的数据点、
36、拟合能力的评价量r2的计算公式如下：
37、
38、其中yj是第j个数据值，是第j个数据对应的本构模型预测值，是第j个数据实验数据的平均值，经过参数拟合，最终得到j型软组织的超弹性本构模型。
39、与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
40、(1)本专利技术通过组织染色方法获取软组织中基质、胶原纤维和弹性纤维的体积分数，不仅避免了传统方法中物理信息模糊的问题，还能最大程度地利用现有的物理信息，使模型具有更强的物理意义和准确性。
41、(2)本专利技术充分考虑了软组织各组分的力学特性，包括基质的各向同性特征、胶原纤维的卷曲拉直、纤维旋转和纤维间滑移特性，以及弹性纤维的纤维旋转特性。通过将这些特性进行数学建模并结合，成功实现了各组分力学贡献的定量分离，使模型能够更全面地描述软组织的力学行为。
42、(3)本专利技术采用最近全局寻优的差分进化算法来确定模型参数，保证了求解过程的收敛性和结果的可靠性。通过平面双轴拉伸数据的测试验本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
3.根据权利要求2所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
4.根据权利要求3所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2-1中，所述基质的应力响应Sm的表达式为：
5.根据权利要求4所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2-2具体包括：
6.根据权利要求5所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2-2-2中，所述卷曲拉直应力响应Sf表达式为：
7.根据权利要求6所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2-2-3中，所述纤维集合的滑移应力响应Spg的表达式为：
8.根据权利要求7所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S2-3中，所述弹性纤维的应力响应Se的表达式为：
9.根据权利要求8所述的适用于J
10.根据权利要求9所述的适用于J型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种适用于j型软组织的本构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于j型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：
3.根据权利要求2所述的适用于j型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：
4.根据权利要求3所述的适用于j型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤s2-1中，所述基质的应力响应sm的表达式为：
5.根据权利要求4所述的适用于j型软组织的本构建模方法，其特征在于，所述步骤s2-2具体包括：
6.根据权利要求5所述的适用于j型软组织的本构建模方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵仕伟，李道春，舒鹏，吕睿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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