本文關(guān)鍵詞： 微缺損軟骨 力學(xué)機制 損傷演化 數(shù)值模擬 多種載荷　出處：《天津理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：膝關(guān)節(jié)是人體中最大且非常重要的關(guān)節(jié),由于它具有使用頻繁、運動量大、承受應(yīng)力高的特點,很容易遭到不同程度的損傷,其關(guān)節(jié)表面軟骨的損傷在臨床上就比較常見。而由于關(guān)節(jié)軟骨的特殊性,加之本身再生能力較差,對其修復(fù)治療十分困難,其原因之一便是軟骨的損傷演化機制本身就非常復(fù)雜。因此,深入研究軟骨的損傷病理和損傷演變機制就顯得尤為重要。由于體內(nèi)軟骨缺損處力學(xué)環(huán)境不易測量,同時考慮到軟骨損傷后的復(fù)雜性,本文在實驗的基礎(chǔ)上,主要通過有限元方法研究了微缺損軟骨的損傷演化過程,獲得了軟骨在多種載荷條件下的損傷演化規(guī)律和損傷力學(xué)機制,為關(guān)節(jié)軟骨的臨床疾病研究和修復(fù)治療提供了理論依據(jù)。本文研究過程包含數(shù)值仿真研究和實驗研究。實驗研究中,利用課題組專門設(shè)計的加載裝置對豬膝關(guān)節(jié)軟骨試樣進行了多種載荷加載實驗,并借助數(shù)字圖像散斑技術(shù)采集分析實驗圖片,將處理的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢較為相近,結(jié)果吻合良好,從而驗證了模型的有效性。數(shù)值仿真研究是本文的核心內(nèi)容,主要通過有限元軟件ANSYS12.0建立了多種載荷下微損傷軟骨的纖維增強二維模型來研究關(guān)節(jié)軟骨的損傷演化力學(xué)機制,模型中的纖維首次采用了更接近實際的拱形交叉結(jié)構(gòu)。以多個模型為基礎(chǔ),分別研究了在多種載荷下微缺損軟骨的損傷力學(xué)機制,主要包括:根據(jù)計算的數(shù)據(jù)結(jié)果和損傷準則,分析對比了在滾壓、滑壓和均布壓縮加載下的微缺損軟骨的損傷演化過程,探索了損傷擴展方向和速率的變化規(guī)律以及不同滾動/滑動速度和不同壓縮量對損傷擴展的影響,另外還分析了纖維單向破壞對軟骨承載的影響及內(nèi)部裂紋對軟骨應(yīng)力分布的影響。數(shù)值研究表明軟骨的損傷有著比普通復(fù)合材料更為復(fù)雜的擴展演化過程,是載荷形式、載荷大小及運動速度等多種因素共同作用的結(jié)果。軟骨損傷演化過程與纖維的分布有著密切的關(guān)系,在損傷擴展前期,軟骨中的裂紋和損傷優(yōu)先沿著纖維切線方向延伸,纖維在損傷中起到了導(dǎo)向作用,完整精細的纖維網(wǎng)絡(luò)對軟骨的承載起著重要作用,纖維一旦斷裂將加速軟骨基質(zhì)的損傷。相比于滑壓載荷,滾壓載荷對軟骨損傷演化的影響更大,在軟骨損傷演化過程中,其擴展方向和擴展速度隨著損傷程度不斷發(fā)生變化,在均布壓縮下,軟骨還同時存在向深層和兩側(cè)擴展的趨勢。軟骨的損傷與載荷壓縮量呈明顯的正相關(guān)性,運動速度對軟骨基質(zhì)有更大的影響。內(nèi)部細小裂紋在長期受載下會逐漸延伸擴展,可能形成表面可見的損傷。損傷會造成軟骨機能的退變,導(dǎo)致承載能力顯著下降,所以軟骨損傷需要得到及時修復(fù)。
[Abstract]:The knee joint is the largest and very important joint in the human body. Because of its characteristics of frequent use, large amount of exercise and high stress, the knee joint is vulnerable to various degrees of injury. The injury of articular surface cartilage is quite common in clinic. However, because of the particularity of articular cartilage and its poor regeneration ability, it is very difficult to repair and treat it. One of the reasons is that the mechanism of cartilage damage evolution is very complicated. Therefore, it is very important to study the damage pathology and damage evolution mechanism of cartilage, because it is difficult to measure the mechanical environment of cartilage defect in vivo. At the same time, considering the complexity of cartilage injury, based on the experiment, the damage evolution process of microdefect cartilage is studied by finite element method. The damage evolution law and damage mechanics mechanism of cartilage under various loads are obtained. It provides a theoretical basis for the clinical study and repair treatment of articular cartilage. The research process in this paper includes numerical simulation and experimental research. Using the loading device specially designed by the research group, a variety of loading experiments were carried out on the cartilage samples of the knee joint of pigs, and the digital image speckle technique was used to collect and analyze the experimental pictures, and the experimental results were compared with the simulation results. It is found that the variation trend of the two models is similar and the results are in good agreement, which verifies the validity of the model. Numerical simulation is the core content of this paper. In order to study the mechanism of damage evolution of articular cartilage, the fiber reinforced two-dimensional model of micro-damaged cartilage under various loads was established by finite element software ANSYS12.0. For the first time, the fiber in the model adopts a more practical arch cross structure. Based on several models, the damage mechanics mechanism of microdefect cartilage under various loads is studied separately, including: according to the calculated data and damage criterion, The damage evolution process of microdefect cartilage under rolling, sliding and uniform compression is analyzed and compared. The variation of damage propagation direction and rate and the effects of different rolling / sliding velocity and different compression amount on damage propagation are explored. In addition, the effects of unidirectional fiber failure on cartilage loading and the influence of internal cracks on cartilage stress distribution are analyzed. Numerical results show that cartilage damage has a more complex propagation and evolution process than ordinary composite materials, and is a form of load. The evolution of cartilage damage is closely related to the distribution of fibers. In the early stage of damage expansion, cracks and injuries in cartilage preferentially extend along the tangent direction of the fibers. Fiber plays a guiding role in the damage. The complete and fine fiber network plays an important role in the loading of cartilage. Once the fiber breaks, it will accelerate the damage of cartilage matrix. The influence of rolling load on cartilage damage evolution is greater. In the process of cartilage damage evolution, the direction and speed of cartilage expansion change with the damage degree, and under uniform compression, There is also a tendency of cartilage spreading to the deep and both sides. The damage of cartilage is positively correlated with the amount of load compression, and the velocity of movement has a greater effect on the cartilage matrix. The damage may result in degeneration of cartilage function and decrease of load-carrying capacity, so cartilage damage needs to be repaired in time.
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R68;R318.01

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本文編號：1494020