关节软骨力学性质的数值模拟及实验研究

发布时间：2017-04-15 12:10

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【摘要】：软骨是一种多孔的粘弹性材料，其结构复杂，不同层区胶原纤维的排列方向直接影响了不同层区软骨的力学性质。通过实验测量软骨不同层区的力学参数对用数值模拟方法研究软骨的损伤与修复具有重要意义。因为软骨的尺寸相对较小，通过拉伸、扭转试验测量软骨的力学参数十分困难。 文中针对软骨拉伸试验存在的主要问题，首先通过猪关节软骨的压缩试验，测量了软骨不同层区的位移，根据位移的特点确定了软骨不同层区的尺寸，然后设计了包括软骨和基底的拉伸模型，模型包括直接粘接和嵌入粘接两种形式，对不同层区的软骨拉伸过程进行了数值模拟，得到了不同层区软骨拉伸的位移场和应力应变场，，数值计算结果表明，嵌入粘接方式，软骨中应力比较均匀没有应力集中，是一种较好的粘接方式，从而为通过拉伸实验测量软骨的正应力、正应变等力学参数奠定了基础。最后通过对关节软骨不同层区、不同基底厚度进行数值仿真总结得出了基底厚度为2mm时，不同层区的关节软骨拉伸模型的仿真结果均为最佳。在确定出关节软骨不同层区的拉伸模型的最后尺寸后，对其进行仿真研究，得出不同层区的拉伸模型位移、应力、应变的数值分布情况，后通过实验设备对制备完成的拉伸模型实体进行拉伸实验，通过数字图像相关技术的处理，得出不同层区的关节软骨在不同方向上的应变分布图并总结其变化规律。之后使用实验得出的数值与数值仿真中的数值进行对比，通过修改弹性模量等力学参数数值的方式使得数值仿真的结果与实验结果尽量保持一致。 对扭转模型进行仿真建模，不同层区的软骨尺寸和拉伸模型中的软骨尺寸保持一致，而基底则选用聚氨酯材料构成的圆柱体，通过Ansys仿真软件同样得出不同层区的拉伸模型位移、应力、应变的数值分布情况；而后使用实验设备对扭转模型进行扭转实验,本文首先采用Pro/E软件设计了一款扭转夹具，使用该夹具对扭转模型进行了扭转实验，最后同样是将扭转实验中的结果与数值仿真中的结果进行对比，修改扭转仿真过程中模型，力学参数使数值仿真的结果与实验结果尽量保持一致。文中的研究工作为通过拉伸、扭转实验测量软骨的力学参数奠定了基础。
【关键词】：关节软骨 力学性质 数值模拟 实验
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.01
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 前言9-10
• 1.2 关节软骨的生物力学特性10-11
• 1.3 国内外研究现状11-16
• 1.3.1 关节软骨力学的仿真研究11-13
• 1.3.2 关节软骨的实验研究13-16
• 1.4 本论文特色及创新点16-17
• 第二章 关节软骨的概述及人工软骨材料的选取17-23
• 2.1 生物基础17-18
• 2.1.1 关节软骨的结构17-18
• 2.1.2 关节软骨的组成18
• 2.2 力学基础18-19
• 2.2.1 基质密度18-19
• 2.2.2 溶质扩散率19
• 2.3 人工软骨材料的选取19-23
• 第三章 关节软骨拉伸模型的数值模拟及实验研究23-46
• 3.1 有限元法简介23-24
• 3.2 拉伸条件下有限元模型的确立及结果分析24-33
• 3.2.1 模型尺寸的确定24-25
• 3.2.2 关节软骨固定形式及基底厚度的确定25-33
• 3.3 有限元结果及结论分析33-37
• 3.4 实验设备及相关测试方法37-40
• 3.4.1 数字图像相关技术37-38
• 3.4.2 材料的制备38-40
• 3.4.3 实验设备相关介绍40
• 3.4.4 实验测试40
• 3.5 实验结果及分析40-45
• 3.6 实验结果与数值模拟对比分析45-46
• 第四章 关节软骨扭转模型的数值仿真及实验研究46-54
• 4.1 扭转夹具的设计46
• 4.2 扭转条件下有限元模型的确立及结果分析46-52
• 4.2.1 扭转有限元模型的建立46-49
• 4.2.2 有限元结果及结论分析49-52
• 4.3 实验测试52
• 4.4 实验结果及分析52-53
• 4.5 实验结果与数值模拟对比分析53-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 5.1 全文总结54
• 5.2 前景展望54-56
• 参考文献56-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61-62

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