过载条件下松质骨力学性能的研究

发布时间：2020-02-09 03:35

【摘要】：骨是人体的支架,具有支持、运动和保护功能;松质骨是皮质骨下一种多孔、非均质、各向异性和具有粘弹性的结构,是骨的重要组成部分;松质骨在负载传输和能量吸收方面起着十分重要的作用,与皮质骨力学性能不同。目前骨力学研究较多的在皮质骨领域,近年来松质骨报道逐渐增多,但在过载条件下松质骨粘弹特性、棘轮效应等力学性能还需深入研究,其研究对揭示骨力学行为有重要意义。本文以猪股骨远端处的松质骨为研究对象,通过实验测试和理论模型预测,研究了单轴压缩载荷下松质骨的蠕变性能和应力率依赖性能。研究发现,恒定应力水平下,松质骨的蠕变应变随加载时间的增加先快速增大,之后缓慢增大;随应力水平的提高,蠕变应变增加,而蠕变柔量减少。应力率对松质骨的压缩行为有显著影响,随着应力率的增加,松质骨的杨氏模量也增加,说明松质骨是一种率相关的非线性粘弹性材料。考虑到松质骨的非线性粘弹性特征,本文建立了松质骨的蠕变模型和非线性粘弹性本构模型,对不同恒定应力水平下松质骨的蠕变性能和不同应力率下的单轴压缩性能进行了预测,并将预测结果与实验结果进行了比较,发现二者吻合良好。通过不同加载条件下松质骨的棘轮实验,研究了应力幅值、应力率、平均应力和波峰/波谷保持时间等因素对松质骨棘轮行为的影响。在循环压缩棘轮实验中,发现棘轮应变和棘轮应变率随着应力幅值的增加而增加,随着应力率的增加而减少。相同条件下,无骨髓的松质骨棘轮应变要小于正常松质骨的棘轮应变。同时,从微观图像中得出松质骨在不同的深度,其棘轮应变变化基本上是一致的。在循环拉压棘轮实验中,发现平均应力和应力幅值的变化以及波峰/波谷保持时间的长度都会影响材料的棘轮行为,平均应力和应力幅值的增加以及保持时间的延长都会加速棘轮应变的累积。在高频拉压棘轮疲劳实验中,发现疲劳寿命随着应变幅值的增加而大幅缩短。微观图像显示,疲劳裂纹萌生及扩展会最终导致松质骨试样的断裂。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R336;TP391.73

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本文编号：2577694