缺損關(guān)節(jié)軟骨損傷演化力學(xué)機(jī)制的數(shù)值研究.pdf

1、膝關(guān)節(jié)是人體中最大且非常重要的關(guān)節(jié)，由于它具有使用頻繁、運(yùn)動(dòng)量大、承受應(yīng)力高的特點(diǎn)，很容易遭到不同程度的損傷，其關(guān)節(jié)表面軟骨的損傷在臨床上就比較常見。而由于關(guān)節(jié)軟骨的特殊性，加之本身再生能力較差，對其修復(fù)治療十分困難，其原因之一便是軟骨的損傷演化機(jī)制本身就非常復(fù)雜。因此，深入研究軟骨的損傷病理和損傷演變機(jī)制就顯得尤為重要。由于體內(nèi)軟骨缺損處力學(xué)環(huán)境不易測量，同時(shí)考慮到軟骨損傷后的復(fù)雜性，本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主要通過有限元方法研究了微缺損

2、軟骨的損傷演化過程，獲得了軟骨在多種載荷條件下的損傷演化規(guī)律和損傷力學(xué)機(jī)制，為關(guān)節(jié)軟骨的臨床疾病研究和修復(fù)治療提供了理論依據(jù)。
　　本文研究過程包含數(shù)值仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究中，利用課題組專門設(shè)計(jì)的加載裝置對豬膝關(guān)節(jié)軟骨試樣進(jìn)行了多種載荷加載實(shí)驗(yàn)，并借助數(shù)字圖像散斑技術(shù)采集分析實(shí)驗(yàn)圖片，將處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢較為相近，結(jié)果吻合良好，從而驗(yàn)證了模型的有效性。數(shù)值仿真研究是本文的核心內(nèi)容，主要通

3、過有限元軟件 ANSYS12.0建立了多種載荷下微損傷軟骨的纖維增強(qiáng)二維模型來研究關(guān)節(jié)軟骨的損傷演化力學(xué)機(jī)制，模型中的纖維首次采用了更接近實(shí)際的拱形交叉結(jié)構(gòu)。以多個(gè)模型為基礎(chǔ)，分別研究了在多種載荷下微缺損軟骨的損傷力學(xué)機(jī)制，主要包括：根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果和損傷準(zhǔn)則，分析對比了在滾壓、滑壓和均布壓縮加載下的微缺損軟骨的損傷演化過程，探索了損傷擴(kuò)展方向和速率的變化規(guī)律以及不同滾動(dòng)/滑動(dòng)速度和不同壓縮量對損傷擴(kuò)展的影響，另外還分析了纖維單向破壞

4、對軟骨承載的影響及內(nèi)部裂紋對軟骨應(yīng)力分布的影響。
　　數(shù)值研究表明軟骨的損傷有著比普通復(fù)合材料更為復(fù)雜的擴(kuò)展演化過程，是載荷形式、載荷大小及運(yùn)動(dòng)速度等多種因素共同作用的結(jié)果。軟骨損傷演化過程與纖維的分布有著密切的關(guān)系，在損傷擴(kuò)展前期，軟骨中的裂紋和損傷優(yōu)先沿著纖維切線方向延伸，纖維在損傷中起到了導(dǎo)向作用，完整精細(xì)的纖維網(wǎng)絡(luò)對軟骨的承載起著重要作用，纖維一旦斷裂將加速軟骨基質(zhì)的損傷。相比于滑壓載荷，滾壓載荷對軟骨損傷演化的影響更大，