缺损关节软骨棘轮实验及冲击响应的数值研究

摘要

膝关节软骨是覆盖于关节表面的重要组织，由于其承受载荷大且频繁，故很容易造成损伤。由于其结构的特殊性，难以在损伤后进行自我修复，对其进行有效的治疗已成为临床上亟待解决的难题，其中一项重要原因是软骨力学性能会在损伤后发生巨变。本文从循环加载和冲击加载两方面对缺损软骨的力学行为进行了研究，得到了其在多种载荷下的力学响应情况。从力学角度为软骨损伤机理的研究和缺损修复提供了一定的参考依据。 本文对缺损软骨的棘轮行为进行了实验研究。该实验采用成年猪股骨远端关节软骨样本，对不同缺损深度软骨试样进行不同参数的三角波循环加载。结合非接触式数字图像技术，获得软骨不同层区的棘轮应变。实验发现：随循环加载圈数的增加，软骨各层棘轮应变均表现为先急剧增大，然后缓慢增加并趋于平稳，由浅层到深层棘轮应变值逐渐减小。各层区对循环圈数响应不同，浅层在50圈内应变增加较快，中层在100圈内应变增加较快，深层在75圈内应变增加较快。除了中层区域响应有滞后性，浅层和深层的棘轮应变与应力幅值、缺损深度呈正相关，与加载速率呈负相关。 本文运用ABAQUS软件建立不同缺损类型的二维骨—软骨模型，模型中考虑了材料参数、纤维分布状态随软骨深度的变化关系，缺口截面形状分别设置为矩形、100°梯形、80°梯形和半圆形。通过数值模拟与实验结果的对比，证明了该模型的有效性。在该模型的基础上采用动力学正弦曲线加载，研究了冲击载荷下初始缺损形状、缺口深度对软骨应力应变状况及损伤演化规律的影响。研究发现：在冲击加载下，软骨各层剪切应变随初始缺损深度的增加而急剧上升。但缺损深度对各层的主应变几乎无明显影响，这与循环载荷下的响应存在很大差异。缺损软骨不论其初始缺损形状如何，冲击时都会在缺口附近存在较大的应力集中，缺口下方靠近缺损边缘处应力集中最明显，而缺口正下方中央位置应力则很小，呈现两端高中间低的“U”型分布。在冲击作用下，基质与纤维损伤的基本表现类似，但纤维损伤比基质表现的稍有超前，其损伤演化与初始缺口形状有较大相关性。其中缺损截面为矩形和半圆形的表现为从缺口底角处先向下，到中层的中部时，缺口开始向左右两侧蔓延。而缺口截面为梯形的则主要向下延伸，直至软骨的深层区。 经本文研究，不论在循环载荷还是冲击加载下，缺损软骨均与正常软骨在力学性能上存在较大差异。提醒人们更多关注软骨健康，并为损伤软骨的临床修复提供一定的参考依据。

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第一章绪论

1.1课题背景与研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3目前国内外研究所存在的问题

1.4 本论文的研究内容

1.5 本论文的创新之处

第二章循环载荷下缺损软骨棘轮行为的实验研究

2.1 棘轮行为简介

2.2 关节软骨组织结构

2.3 关节软骨损伤原因及类型

2.4实验材料和方法

2.5结果

2.6 结果分析

2.7 本章小结

第三章缺损软骨有限元模型的建立及验证

3.1 ABAQUS中粘弹性属性表述形式

3.2 缺损软骨有限元模型的建立

3.3 有限元模型的验证

3.4 本章小结

第四章冲击载荷下关节软骨力学行为有限元分析

4.1 冲击载荷下分析步、载荷及边界条件

4.2 不同缺损形状对力学性能影响

4.3 软骨损伤演化准则及模拟方法

4.4 不同缺损形状下的损伤演化计算

4.5 初始缺损深度对软骨力学性能影响

4.6 本章小结

第五章总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢