股骨多尺度有限元分析.pdf

1、骨作為一種由膠原纖維和羥基磷灰石組成的自然生物復(fù)合材料，具有很高的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性。骨優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和它的宏微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)其宏微觀結(jié)構(gòu)的深入研究將能夠揭示其強(qiáng)韌機(jī)理，為人造骨骼材料提供有益的指導(dǎo)。
　　本文通過(guò)宏細(xì)觀相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，研究骨的宏微觀結(jié)構(gòu)與其力學(xué)行為的關(guān)系。完成了以下工作并得到若干有益結(jié)論：
　　①選取家牛的扇子骨作為宏細(xì)觀相結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，用MTS材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了該骨沿兩個(gè)相互垂直方向的力學(xué)

2、行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該骨在載荷較小時(shí)保持較好的彈性性質(zhì)，而在載荷較大時(shí)具有一定的塑性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明該骨沿兩個(gè)相互垂直方向的彈性性質(zhì)和極限強(qiáng)度不同，表明骨是一種各向異性的生物材料。
　?、诶脪呙桦婄R對(duì)宏觀力學(xué)試驗(yàn)后的牛骨斷面進(jìn)行細(xì)觀觀察，發(fā)現(xiàn)其中的膠原纖維按螺旋方式排列。觀察還發(fā)現(xiàn)其中存在彼此連通的哈弗氏管道，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為骨的有限元模型分析提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　?、劾肅T掃描技術(shù)、Mimics醫(yī)學(xué)成像、Imageware快

3、速原型復(fù)制及ABAQUS軟件，形象客觀地建立了具有真實(shí)性和立體感的人左股骨的整體有限元模型，為骨的多尺度有限元分析提供了分析基礎(chǔ)。這表明CT掃描技術(shù)、Mimics醫(yī)學(xué)成像、Imageware快速原型復(fù)制技術(shù)能夠?yàn)楣堑壬锊牧虾昙?xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為研究提供技術(shù)保障。
　　④通過(guò)對(duì)股骨宏觀尺度到細(xì)觀尺度、再由細(xì)觀尺度到微觀尺度的有限元分析，得到在正常步態(tài)下的單腳站立情況時(shí)，股骨在不同尺度下的應(yīng)力-應(yīng)變分布。計(jì)算結(jié)果表明微觀模型得到的最大

4、應(yīng)變值比宏觀模型得到的最大應(yīng)變值高4倍。這是因?yàn)槲⒂^模型考慮了股骨微觀尺度下的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。計(jì)算結(jié)果也表明大應(yīng)變及大應(yīng)變率出現(xiàn)在腔隙和骨小管周圍。由于大應(yīng)變及應(yīng)變梯度可導(dǎo)致骨細(xì)胞的再生及微裂紋產(chǎn)生，故此研究結(jié)果與生物學(xué)的細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。
　?、菔褂肁BAQUS的UMAT子程序分析了股骨超微結(jié)構(gòu)-骨單元中的膠原纖維層和粘接層中的應(yīng)力與纖維層螺旋角度的關(guān)系。分析結(jié)果表明在0°到90°之間，隨著纖維角度的增大，骨單元的mises應(yīng)力