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合材料，具有很高的斷裂強度和斷裂韌性。骨優(yōu)良的力學性質(zhì)和它的宏微觀結(jié)構(gòu)密切相關，對其宏微觀結(jié)構(gòu)的深入研究將能夠揭示其強韌機理，為人造骨骼材料提供有益的指導。
　　本文通過宏細觀相結(jié)合的實驗和計算分析，研究骨的宏微觀結(jié)構(gòu)與其力學行為的關系。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觀相結(jié)合實驗的研究對象，用MTS材料試驗機測試了該骨沿兩個相互垂直方向的力學

2、行為。實驗結(jié)果表明該骨在載荷較小時保持較好的彈性性質(zhì)，而在載荷較大時具有一定的塑性。實驗結(jié)果也表明該骨沿兩個相互垂直方向的彈性性質(zhì)和極限強度不同，表明骨是一種各向異性的生物材料。
　?、诶脪呙桦婄R對宏觀力學試驗后的牛骨斷面進行細觀觀察，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，這些實驗結(jié)果為骨的有限元模型分析提供了實驗基礎。
　　③利用CT掃描技術、Mimics醫(yī)學成像、Imageware快

3、速原型復制及ABAQUS軟件，形象客觀地建立了具有真實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。這表明CT掃描技術、Mimics醫(yī)學成像、Imageware快速原型復制技術能夠為骨等生物材料宏細觀結(jié)構(gòu)與力學行為研究提供技術保障。
　?、芡ㄟ^對股骨宏觀尺度到細觀尺度、再由細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，股骨在不同尺度下的應力-應變分布。計算結(jié)果表明微觀模型得到的最大

4、應變值比宏觀模型得到的最大應變值高4倍。這是因為微觀模型考慮了股骨微觀尺度下的結(jié)構(gòu)細節(jié)。計算結(jié)果也表明大應變及大應變率出現(xiàn)在腔隙和骨小管周圍。由于大應變及應變梯度可導致骨細胞的再生及微裂紋產(chǎn)生，故此研究結(jié)果與生物學的細胞學實驗研究結(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力與纖維層螺旋角度的關系。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應力