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软骨组织无约束压缩的有限元分析

发布于:2017-12-02 20:59
有限元分析

      关节软骨是由骨胶原和蛋白聚糖固体相和孔隙流体相组成的多孔材料,其独特的力学特性能有效地抵抗关节冲击力、减轻关节面间的摩擦磨损、维持关节正常的运动及生理功能。研究软骨的力学性能对人工关节软骨材料的研制及相关软骨疾病的诊断治疗具有十分重要的引导意义。鉴于软骨的力学特性很难体内测量,体外条件下的实验测试又具有较大的误差,应用关节软骨的有限元分析力学计算仿真来掌握关节软骨的力学特性、揭示软骨的承载能力至关重要。
      目前广泛使用的软骨模型是Mow等在混合物理论的两相多孔介质理论基础上建立的AC两相多孔模型。该模型由两种内在不可压缩、不可混容的固体基质和液体组成,其中胶原纤维、蛋白多糖等固体基质视为线弹性固体,水和电解液视为理想流体。1981年,Lai等在AC两相多孔模型的基础上,实验补充了渗透率与固体基质体积应变的函数关系,形成了软骨的非线性两相多孔介质理论。1999年,Li等提出了纤维增强多孔弹性(fibril reinforced poroelastic FRPE)模型。在此基础上,有学者在大量软骨力学实验结果的基础上考虑了随深度变化的孔隙率、弹性模量和泊松比等力学参数,使仿真计算结果更加准确。
      国内在AC建模分析方面的有关报道较少。严波等采用混合物理论两相多孔介质模型,利用有限元方法分析AC的约束压缩问题,研究AC组织应力松弛和蠕变特性。周海宇等分别用均匀和随深度变化的两种软骨力学参数对软骨非线性两相多孔介质模型进行了计算比较,结果表明在分析软骨的固相应力、液体压力和流动等问题时,需要考虑随深度变化的软骨力学参数。上述两相多孔介质模型没考虑AC压缩时径向分布胶原纤维的抗拉伸性能,将使计算得到的压缩弹性模量偏低。本研究基于纤维增强多孔弹性模型,综合考虑AC分层结构以及AC渗透率随固体基质膨胀度变化特性,将依赖深度变化的力学参数引入FRPE模型,应用ABAQUSApp对关节软骨无约束压缩力学进行有限元分析,以阶梯加载方式揭示关节软骨的承载机理和应力松弛效应。
      针对AC无约束压缩,采用ABAQUS/CAE模块建立AC无约束压缩几何模型。试件是半径为R、高度为h的圆柱体,在径向方向无约束;压头和底座均为不可渗透刚体。由于AC试件为轴对称结构,可按轴对称问题建模仅考虑试件半个截面以减少运算分析时间。在此设定压头中心为参考点,便于后期边界条件、求解输出的处理。
      通过Mesh模块进行单元类型选择和网格划分。对AC试件轴向方向均匀划分为12份;径向方向靠近AC试件外边缘处由于压缩产生应力集中,需要进行网格细分。径向网格划分比例为0.5:025:0.25,划分网格数为5:5:8。采用8节点轴对称含孔压单元来表示固体基质,共计216个单元,709个节点,其中孔隙压力仅作用在单元4个拐点处。此处用弹簧单元(SPRINGA)来表示胶原纤维。由于胶原纤维结构纤长,主要在:方向上表现抗拉伸性能,不考虑其:方向上压缩,共计684个弹簧单元。


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