损伤软骨力学性质的数值模拟和实验研究

论文摘要

在整个关节中关节软骨所起的作用是极其重要，是使关节有减震性能和较小的摩擦力等独特性能突出的决定性因素之一。然而，因为关节软骨在生物中所处的特殊位置以及关节软骨的功能作用，其发生损伤很常见。而且关节软骨的再生能力有限，如果软骨一旦发生损伤，其再生将是十分困难的。因此，深入认识软骨损伤的发生机理，判断软骨损伤的演变机制，可以为软骨修复提供行之有效的参考。本课题主要从数值模拟和实验研究两个方面研究软骨的力学性能，仿真部分主要应用大型分析软件ANSYS10.0建立软骨模型，利用单元的生死技术选项杀死部分单元，模拟软骨的缺失损伤，分析损伤软骨在受到10%压缩量的下的受力及应变情况。实验部分对猪股骨头软骨在缺失损伤的情况下进行单向压缩试验，考察损伤软骨在不同层区的受力及应变情况，并对不同损伤深度进行比较。目的从数值模拟和实验研究两个方面研究损伤软骨的力学性质，为软骨修复及应用于临床的软骨替代物必须达到合适的结构和功能才能很好的修复软骨缺损提供行之有效的参考。方法应用大型分析软件ANSYS10.0建立软骨切面模型，采用自底向上建模方式，由点生成线，由线生成面，模型中考虑了纤维的存在，对软骨切面施加位移载荷。通过杀死部分单元模拟软骨的损伤，约束活动节点，删除死单元位移载荷，约束深层软骨的全部自由度，进行求解计算。仿真结果与实验结果进行比对，从而得出结论。结果和讨论仿真结果显示了损伤软骨所受的应力，应变值较大，而且损伤区域越大，软骨应力和应变的最大值越大，最大值主要集中在损伤区域附近。而从实验结果的散点折线图中也显示了一致的结果。可以说明，软骨损伤会造成周围软骨的退变，使损伤加剧，所以软骨损伤需要得到及时修复。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 软骨的微观结构
• 1.1.2 软骨损伤的类型
• 1.1.3 软骨损伤的部位
• 1.1.4 软骨损伤的原因
• 1.2 功能性组织工程学概述
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 数值模拟
• 1.4 论文研究内容、目的与章节安排
• 1.4.1 章节安排
• 第二章 关节软骨的生物力学性质
• 2.1 软骨组织的生物力学特性
• 2.2 力学刺激的作用
• 2.2.1 剪切力
• 2.2.2 压力
• 2.2.3 静水流压力
• 2.3 小结
• 第三章 损伤软骨力学性质的数值模拟
• 3.1 有限元常用术语
• 3.1.1 单元
• 3.1.2 节点
• 3.1.3 载荷
• 3.1.4 边界条件
• 3.1.5 初始条件
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 初始条件
• 3.2.2 对实体模型进行划分网格
• 3.2.3 对模型施加边界条件
• 3.3 单元的生死技术
• 3.3.1 单元生死的应用
• 3.3.2 单元生和死的方法
• 3.3.3 单元生和死的步骤
• 3.3.4 在后处理器中查看分析的结果
• 3.4 分析结果
• 第四章 对猪股骨头软骨压缩试验研究
• 4.1 实验介绍
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 实验过程
• 4.2 图像处理
• 4.2.1 定义考察边界
• 4.2.2 图像格式转换及伪彩色显示
• 4.2.3 3号样本 1/2 缺损伪彩图显示
• 4.2.4 4号样本 1/10 缺损伪彩图显示
• 4.3 数据处理
• 4.3.1 将数据点画成散点折线图
• 4.4 结论
• 4.5 比较实验结果与仿真结果及其生物学解释
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢