关节软骨的力学性能测试及有限元仿真

发布时间：2020-02-24 16:52

【摘要】：关节软骨是一种粘弹性、非线性的结缔组织。其复杂的结构及组成决定了其本身独特的力学特性。关节软骨的力学性能受到广泛关注，详细进行软骨的力学性能测试有重要意义，因为这有助于揭示软骨组织新陈代谢的机理，还可以为临床软骨疾病的治疗和软骨缺损修复等方面提供重要依据，进而促进临床软骨疾病研究的发展。因此本文以关节软骨为研究对象，借助自行设计研究的加载装置、有限元仿真技术、Solidworks建模软件及数字图像相关技术，综合生物力学和工程学理论，揭示其在常规工作环境中各项力学指标的变化及规律。为了对关节软骨这种复杂的生物组织的力学性能进行全面揭示，文章中的研究方法采用当前较先进的数字图像相关技术进行实验，在体外提供近似于体内的环境，用实验室研制的加载装置和夹具分别对新鲜软骨进行压缩、滑动和滚动加载，实验中采取有效措施避免边界问题的影响，在软骨表面嵌入纳米颗粒制斑以便标记，从宏观和微观的角度分析其受载过程中整体及各层区应力应变的变化。同时运用ANSYS仿真软件对压缩和滑动加载进行仿真，从理论和实践两方面阐述结果。研究表明，关节软骨在直接压缩、滑动加载和滚动加载条件下呈现出不同的力学特性，其应力应变值和变化趋势随压缩量、加载速度的不同而变化；由于其结构组成的特殊性，不同层间的力学性质存在较大差异，其中表层变化最明显，中间层次之，深层最稳定。另外，软骨在活体内所受载荷是连续的，在实验中发现多次加载过程中应变值整体呈现出减小的趋势，这是软骨中水分转移和组织变形的结果。实验测试和仿真分析的结果相符，使得理论和实践得以统一，共同研究了关节软骨受载荷下的独特力学性能。研究中采用的方法和工具可在后续相关研究作为参考，结论中提供的信息可为关节软骨临床疾病及运动保健的研究提供依据，，有助于软骨力生物学的发展。
【图文】：

关节软骨,结构示意图

图 1-1 关节软骨结构示意图关节软骨特殊的结构特征和独特的力学功用，多年来，广大的国内外学者运用各种点，以及两者之间错综复杂的关系，力在规律和结论，并取得了不朽的成就。下面一标准，特别是科学研究中，更需要各种到结论。在对关节软骨的力学性能进行测不计其数的实验，大致分为以下几种：

示意图,压缩试验,示意图,加载试验

a. 非约束压缩试验 b. 围限压缩试验图 1-3 压缩试验示意图图 1-4 压痕试验示意图加载试验加载试验是在充分展现软骨膨胀行为的基础上，表征材料力学参寸很小的软骨，无法采用普通的力学实验测量其力学性能，故常代拉压试验来获得[20]。研究表明，采用渗透加载实验获得的单轴
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.01

【参考文献】