冲击速度的影响

5.4.2.1 边界和加载条件

在模型验证模拟条件下，对有无跟腱作用力状态的地面反力和和胫骨的反作用力进行评估。同时，对冲击速度从2.0m/s到7.0m/s，以1.0m/s间隔不同冲击条件下进行分别模拟，来进行参数研究，评估以上两个反作用力，以及跟骨和距骨松质骨的米塞斯应力和特雷斯卡应力。当模拟结果超出骨的屈服阂值时，可以识别为发生骨折。骨小梁压缩屈服应力设置为1.8MPa，而剪切屈服应力为0.792MPa。

5.4.2.2 对地面反力和胫骨反作用力的影响

冲击速度对地面反力和胫骨反作用力的影响如图5-6所示。二者与冲击速度都呈线性正相关，其中地面反力随冲击速度提高而增加的幅度更加明显。当冲击速度为2.0m/s时，地面反力和胫骨反作用力分别为1.77k N和0.94k N，约为3.3倍和1.7倍体重。当冲击速度达到7.0m/s时，二者分别达到11.53k N和7.78k N，其偏差从33%提高到47%。

图5-6 冲击速度（2.0～7.0m/s）对地面反力和胫骨反作用力的影响

5.4.2.3 对米塞斯应力和特雷斯卡应力的影响

图5-7为在5.0m/s冲击速度下，跟骨和距骨的米塞斯应力分布，其峰值应力与一般临床常见的骨折部位对应。跟骨最大米塞斯应力和特雷斯卡应力随撞击速度的增加趋势如图5-8所示。最大特雷斯卡应力总是比最大米塞斯应力更大，在2.0m/s冲击速度情况下二者偏差最小，尚未到7%。当冲击速度从2.0m/s提高到7.0m/s，最大米塞斯应力从0.70MPa增加到5.06MPa。而特雷斯卡应力的从0.75MPa增加到5.47MPa。

图5-7 在5.0m/s冲击速度下，跟骨和距骨的米塞斯应力分布

跟骨松质骨遭受的剪切应力风险明显比压缩应力风险更大。冲击速度从3.0m/s提高到4.0m/s，超出剪切屈服极限的骨体积从36.2%明显提高到79.7%。当冲击速度为7.0m/s时，几乎所有跟骨松质骨都超出了其剪切屈服点。超出抗压强度的松质骨相对较少，在冲击速度分别为5.0m/s和7.0m/s时，分别为总体积的约1/5和2/3。

图5-8 在不同冲击速度条件下跟骨和距骨松质骨的米塞斯应力和特雷斯卡应力分布（见彩图4-）

距骨最大米塞斯应力和特雷斯卡应力随撞击速度的增加趋势见图5-8。与跟骨情况类似，最大特雷斯卡应力总是比最大米塞斯应力更大。当冲击速度为2.0m/s时，最大米塞斯应力和最大特雷斯卡应力分别为0.48MPa和0.55MPa。当冲击速度为7.0m/s时，二者分别增加至3.68MPa和3.90MPa。当冲击速度为5.0m/s时，距骨超出压缩屈服极限的区域为总体积的18%，到冲击速度为7.0m/s，扩展到距骨松质骨的一半。剪切屈服最小值发生在冲击速度为3.0m/s时，而在4.0m/s时就扩展到一半的松质骨。