關(guān)節(jié)軟骨纖維增強(qiáng)多孔彈性力學(xué)特性研究.pdf

1、骨關(guān)節(jié)炎是一種常見的關(guān)節(jié)疾病，給患者的正常生活造成了嚴(yán)重的困難。研究者普遍認(rèn)為骨關(guān)節(jié)炎是由力學(xué)過載引起的，因此需要分析關(guān)節(jié)受載時各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)而尋找到骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)理并提出預(yù)防機(jī)制。有限元方法是用來分析關(guān)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的最有效的工具，已有眾多生物力學(xué)研究人員將其用來研究生物體及組織器官受載時的應(yīng)力分布。為了進(jìn)行關(guān)節(jié)的有限元分析，需要首先建立關(guān)節(jié)各部位的有限元模型，材料的力學(xué)模型是有限元建模中最重要的一部分。關(guān)節(jié)一般由股骨，脛

2、骨和關(guān)節(jié)軟骨組成，其中關(guān)節(jié)軟骨的材料屬性是最為復(fù)雜的，其表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)性，各向異性和粘彈性。研究者已提出大量關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)模型，其趨勢是越來越精確，但也越來越復(fù)雜，計算成本越來越高。為此，我們需要在模型的計算成本和精確性間取得平衡?；趶椈傻睦w維增強(qiáng)模型是一種相對容易實現(xiàn)，計算成本又低的模型，且其與簡單的線彈性多孔彈性模型相比，又考慮了纖維增強(qiáng)作用和應(yīng)變相關(guān)的滲透率，為此，我們希望采用這個模型進(jìn)行關(guān)節(jié)的有限元模擬。在使用這個模型前，

3、需要對其進(jìn)行進(jìn)一步驗證。無側(cè)限壓縮實驗是近來使用較為頻繁的關(guān)節(jié)軟骨的壓縮實驗方式，最新開發(fā)的模型都將其同時解釋無側(cè)限壓縮實驗中軸向反作用力和側(cè)向位移的變化過程的能力作為證明其正確性的一個準(zhǔn)則。本研究即希望通過驗證基于彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型同時解釋這兩種現(xiàn)象的能力來確認(rèn)其在關(guān)節(jié)有限元模型中的適用性。
　　本研究的主要內(nèi)容包括以下幾部分：1、根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，介紹關(guān)節(jié)軟骨的組成和結(jié)構(gòu)，并探索其組成和結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。2、實現(xiàn)

4、關(guān)節(jié)軟骨的基于彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型。該模型是在線彈性雙相模型的基礎(chǔ)上引入纖維增強(qiáng)實現(xiàn)的，其實現(xiàn)主要包括線彈性雙相模型的實現(xiàn)，應(yīng)變相關(guān)滲透率的定義和節(jié)點(diǎn)間非線性彈簧的定義。3、關(guān)節(jié)軟骨的材料屬性有很大的個體差異性，不能簡單的用一組實驗中獲取的參數(shù)來預(yù)測另外的實驗，因此需要開發(fā)一套規(guī)范的參數(shù)反演方法，用來從相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)中獲取參數(shù)值。獲取參數(shù)后，驗證模型同時解釋軸向反作用力的松弛和側(cè)向位移的變化這兩種現(xiàn)象的能力。
　　通過對基于

5、彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型的研究，得到以下研究成果：1、實現(xiàn)了關(guān)節(jié)軟骨基于彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型，并用該模型模擬出無側(cè)限壓縮實驗下的位移，孔壓和應(yīng)力分布。2、通過對常滲透率線性雙相模型、應(yīng)變相關(guān)滲透率雙相模型和基于彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型的比較，得到應(yīng)變相關(guān)滲透率在無側(cè)限壓縮實驗下的作用不明顯，纖維增強(qiáng)顯著提高其解釋松弛現(xiàn)象的能力。3、進(jìn)行了參數(shù)反演過程，實現(xiàn)了從實驗數(shù)據(jù)反演出模型參數(shù)值，并驗證基于彈簧的纖維增強(qiáng)多孔彈性模型同時解