缺损型关节软骨多孔弹性力学行为的研究
发布时间：2022-04-21 22:28
膝关节软骨是由固体相和液体相组成的两相多孔材料,不仅增加关节间润滑,避免骨与骨接触磨损,还通过自身变形起着缓冲承压作用,在人体运动中有重要作用。然而外部载荷、内部病变等原因造成关节软骨的退变缺损,成为早期关节炎的主要病变特征。软骨缺损深度、位置、形状大小等有所不同,退化软骨力学性质也会发生改变。这些变化对软骨内部液体压力流速分布产生进一步影响,而液体行为直接影响着软骨细胞新陈代谢、胶原纤维结构与蛋白基质含量的变化等,软骨退化机制与此相关。病变软骨在上述因素影响下相关力学行为的规律尚不清楚,本文以此为出发点,建立正常与缺损软骨简化解析模型和有限元模型;并进一步构建人体真实软骨形状有限元模型探究缺损退变规律;对猪关节软骨进行应力松弛实验,探索软骨相关参数变化规律。本文的主要工作及其结论如下:（一）使用多孔弹性理论分别建立圆柱体健康与中空缺损解析解与有限元简化模型,使用Matlab软件对解析结果进行编程计算,将计算所得结果与有限元模型计算结果作图对比,结果基本吻合。计算结果表明:（1）非围限边界条件下,正常软骨孔隙压力从圆柱体轴心向外边界逐渐减小,流速从圆柱体轴心向外边界增大。（2）缺损软骨...
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 关节软骨介绍
1.1.1 关节软骨解剖学介绍
1.1.2 关节软骨生物力学研究意义
1.1.3 待解决的关键研究点
1.2 关节软骨的生物力学研究进展
1.3 本文的工作及意义
第二章 关节软骨的多孔弹性力学理论及有限元模拟
2.1 数学模型的建立与求解
2.1.1 控制方程及几何模型
2.1.2 正常型关节软骨多孔弹性理论模型
2.1.3 正常型关节软骨多孔弹性力学模型解析解
2.1.4 理想化中空损伤/缺损的关节软骨的多孔弹性模型及解析解
2.2 有限元模型验证理论模型推导解析结果的正确性
2.2.1 ComsolMultiphysics软件有限元模型的建立
2.2.2 理论推导公式解析解与有限元软件模型计算结果对比
2.2.3 有限元软件建立模型计算压力流速结果及生理意义
2.3 理想化二维轴对称软骨模型研究
2.3.1 理想化软骨模型的建立
2.3.2 缺损退化软骨模型的设置
2.3.3 理想化整体模型计算结果
2.3.4 理想化模型计算结果的讨论
2.4 本章小结
第三章 关节软骨多孔弹性力学模型的数值仿真分析
3.1 人体膝关节软骨MRI扫描建立真实软骨模型
3.1.1 基于MRI建立的关节软骨有限元建模过程
3.1.2 关节软骨模型的材料参数设置与模型的边界条件
3.1.3 关节软骨缺损模型设置及模型自由度
3.2 模型有限元计算结果
3.2.1 正常软骨模型在脉动位移载荷下的压力流速
3.2.2 软骨缺损几何参数变化的影响
3.2.3 退化软骨物理参数变量因素影响
3.3 讨论
3.4 本章小结
第四章 关节软骨粘弹性力学性能试验
4.1 粘弹性三参量固体模型
4.2 关节软骨分层粘弹性力学性能
4.2.1 关节软骨分层应力松弛试验
4.2.2 关节软骨分层应力松弛实验结果
4.2.3 关节软骨分层粘弹性参数结果讨论
4.3 缺损面积变化的软骨粘弹性力学性能
4.3.1 缺损软骨应力松弛实验方法及结果
4.3.2 关节软骨缺损面积粘弹性参数讨论
4.4 本章小结
第五章 全文工作总结及展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of microcracks on the poroelastic behaviors of a single osteon[J]. WU XiaoGang,WANG YanQin,WU XiaoHong,CEN HaiPeng,GUO Yuan,CHEN WeiYi. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(11)
[2]ANSYS基于Biot固结理论流固耦合模型及应用[J]. 董志高,胡嫣然,杨辉,许波. 工程地质计算机应用. 2009(03)
[3]ANSYS基于Biot固结理论流固耦合模型及应用[J]. 董志高,胡嫣然,杨辉,许波. 工程地质计算机应用. 2009 (03)
博士论文
[1]骨的多孔介质弹性力学行为及力—电效应研究[D]. 武晓刚.太原理工大学 2012
本文编号：3646698
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 关节软骨介绍
1.1.1 关节软骨解剖学介绍
1.1.2 关节软骨生物力学研究意义
1.1.3 待解决的关键研究点
1.2 关节软骨的生物力学研究进展
1.3 本文的工作及意义
第二章 关节软骨的多孔弹性力学理论及有限元模拟
2.1 数学模型的建立与求解
2.1.1 控制方程及几何模型
2.1.2 正常型关节软骨多孔弹性理论模型
2.1.3 正常型关节软骨多孔弹性力学模型解析解
2.1.4 理想化中空损伤/缺损的关节软骨的多孔弹性模型及解析解
2.2 有限元模型验证理论模型推导解析结果的正确性
2.2.1 ComsolMultiphysics软件有限元模型的建立
2.2.2 理论推导公式解析解与有限元软件模型计算结果对比
2.2.3 有限元软件建立模型计算压力流速结果及生理意义
2.3 理想化二维轴对称软骨模型研究
2.3.1 理想化软骨模型的建立
2.3.2 缺损退化软骨模型的设置
2.3.3 理想化整体模型计算结果
2.3.4 理想化模型计算结果的讨论
2.4 本章小结
第三章 关节软骨多孔弹性力学模型的数值仿真分析
3.1 人体膝关节软骨MRI扫描建立真实软骨模型
3.1.1 基于MRI建立的关节软骨有限元建模过程
3.1.2 关节软骨模型的材料参数设置与模型的边界条件
3.1.3 关节软骨缺损模型设置及模型自由度
3.2 模型有限元计算结果
3.2.1 正常软骨模型在脉动位移载荷下的压力流速
3.2.2 软骨缺损几何参数变化的影响
3.2.3 退化软骨物理参数变量因素影响
3.3 讨论
3.4 本章小结
第四章 关节软骨粘弹性力学性能试验
4.1 粘弹性三参量固体模型
4.2 关节软骨分层粘弹性力学性能
4.2.1 关节软骨分层应力松弛试验
4.2.2 关节软骨分层应力松弛实验结果
4.2.3 关节软骨分层粘弹性参数结果讨论
4.3 缺损面积变化的软骨粘弹性力学性能
4.3.1 缺损软骨应力松弛实验方法及结果
4.3.2 关节软骨缺损面积粘弹性参数讨论
4.4 本章小结
第五章 全文工作总结及展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of microcracks on the poroelastic behaviors of a single osteon[J]. WU XiaoGang,WANG YanQin,WU XiaoHong,CEN HaiPeng,GUO Yuan,CHEN WeiYi. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(11)
[2]ANSYS基于Biot固结理论流固耦合模型及应用[J]. 董志高,胡嫣然,杨辉,许波. 工程地质计算机应用. 2009(03)
[3]ANSYS基于Biot固结理论流固耦合模型及应用[J]. 董志高,胡嫣然,杨辉,许波. 工程地质计算机应用. 2009 (03)
博士论文
[1]骨的多孔介质弹性力学行为及力—电效应研究[D]. 武晓刚.太原理工大学 2012
本文编号：3646698
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3646698.html
