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【6h】

滚压/滑动载荷下关节软骨不同层区力学行为的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 关节软骨的相关力学性能研究进展

1.2.2 软骨研究所存在的问题

1.3 本论文的研究内容、特色及创新

1.3.1 研究内容

1.3.2 特色与创新点

第二章 关节软骨及其力学性能测试方法

2.1 关节软骨力学性能

2.1.1 关节软骨

2.1.2 关节软骨损伤及其修复

2.2 数字图像相关技术的发展及应用

2.2.1 数字图像相关技术

2.2.2 数字图像相关技术的应用

2.2.3 DIC在本课题中的应用

2.3 有限元法及其应用

2.3.1 有限元法

2.3.2 有限元法在生物力学上的发展应用

2.3.3 关节软骨的有限元模型

2.4 本章小结

第三章 滑动载荷作用下关节软骨不同层区力学性能测试

3.1 实验材料及方法

3.1.1 材料制备

3.1.2 实验设备

3.1.3 实验方法与内容

3.2 滑动载荷下关节软骨不同层区的力学行为

3.2.1 滑动速率对关节软骨不同层区法向位移的影响

3.2.2 压缩量对关节软骨不同层区法向位移的影响

3.2.3 滑动次数对关节软骨不同层区法向位移的影响

3.2.4 不同滑动次数下关节软骨沿厚度方向的位移分布

3.3 滑动载荷作用下关节软骨的有限元仿真

3.3.1 有限元模型建立

3.3.2 仿真结果及分析

3.4 本章小结

第四章 滚压载荷作用下关节软骨不同层区力学性能测试

4.1 实验材料及方法

4.1.1 材料制备

4.1.2 实验设备

4.1.3 实验方法与内容

4.2 滚压载荷下关节软骨不同层区的力学行为

4.2.1 滚动速率对关节软骨不同层区法向位移的影响

4.2.2 压缩量对关节软骨不同层区法向位移的影响

4.2.3 滚动次数对关节软骨不同层区法向位移的影响

4.2.4 不同压缩量下关节软骨法向位移分布

4.3 滚压载荷下关节软骨的有限元仿真

4.3.1 有限元模型建立

4.3.2 仿真结果及分析

4.4 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

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摘要

关节软骨作为人体动关节处的重要组成部分,具有非线性、粘弹性等特点,其内部组织结构较为复杂,故具有不同于一般材料所特有的力学性能。在日常活动中关节软骨承受滑动和滚动载荷作用,故对该载荷作用下软骨不同层区的力学性能展开研究具有重要意义。研究结果可以为临床软骨疾病治疗和软骨缺损修复等方面提供依据,同时对人工软骨结构组成、人工构建、力学功能评价有重要意义。
  本文以猪关节软骨为研究对象,对关节软骨分别进行了滑动加载、滚压加载实验,在整个实验过程中利用数字相关技术对软骨的整个加载过程进行了图像采集,通过后期对采集到的图像进行处理,研究在不同加载条件下关节软骨各层区力学性能的变化特征。研究结果表明,软骨浅表层区的法向位移是最大的,深层区最小,中间层位于二者之间。在恒定的压缩量下,随着滑动、滚压时间的进行,软骨不同层区的法向位移都是先增大再略微减小;随着压缩量的增加,关节软骨浅表层、中间层、深层区的法向位移都增加;随着加载速率的增加,关节软骨不同层区的法向位移减小。随着加载次数的增加,关节软骨不同层区的法向位移都受到了影响。关节软骨受滑压、滚压载荷作用后,由于其内部复杂的组织和结构,各层区的力学性能出现差异。
  本文针对以上软骨实验,分别建立了关节软骨在滑动加载和滚压加载下的有限元模型。此模型考虑了固相和液相材料,并通过弹簧单元模拟了关节软骨中胶原纤维的力学性能,此模型的建立与真实关节软骨更接近。通过对不同加载速率、压缩量下的软骨进行力学模拟,得到软骨不同层区的力学性能,并与实验数据进行对比分析,模拟数据与实验数据基本一致,但仍存在部分差异,这主要是由于软骨内部复杂的组织结构造成的,软骨模型仍需要进一步完善,使理论结果更具有可靠性。本文从实验和理论的角度对关节软骨不同层区的力学性能进行了研究,为关节软骨临床疾病的预防与治疗提供了一定的理论依据。

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