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天然关节软骨的摩擦行为研究

作　者: 钱善华
导　师: 葛世荣
学　校: 中国矿业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 关节软骨渗透率微孔结构表面轮廓相关系数摩擦系数
分类号: Q6
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文以牛膝关节软骨为研究对象,测定软骨内吸附液体的质量分布和渗透率,观察软骨表面及内部结构,研究软骨不同加载模式的变形特征,讨论软骨滑动和摆动的摩擦行为特征,模拟软骨液体的渗流特征。研究结果为认识天然关节的承载特性与运动机制、揭示天然摩擦副的生物摩擦学机理和研发高性能的人工软骨提供更多的试验和理论依据。本文研究了软骨对玻璃和软骨对软骨层的滑动摩擦行为,发现较高的变形量有助于提高固体基质间的接触几率,致使摩擦系数与时间呈增加趋势。软骨的双相特性导致软骨对软骨层的摩擦系数显著低于软骨对玻璃的摩擦系数。通过对软骨液体的质量分布和渗透率进行测定,发现液体质量分布随深度呈波动式降低,从最外层的94.2%降低到最底层的78.1%。压强差与软骨渗透率呈负相关,关节软骨的渗透率约为6.482×10-16m4N-1s-1。采用Micromax形貌仪对软骨表面及内部结构进行观察,发现软骨具有不规则的表面轮廓和微孔结构,相邻波峰波谷的差值约在0.05~1.83μm,在微孔分布、孔径和形状等方面具有分形特点,微孔的计盒维数约为1.737。基于Sierpinski的分形图案,重建软骨的浅表层、中间层、深层和截面层的微孔分形结构。软骨在线性加载和交变加载的变形曲线表明,线性加载的弹性模量随应变表现为先急剧下降后缓慢增加的过程,快速加载的弹性模量高于慢速加载的弹性模量。交变载荷产生的变形大于定载荷的变形,交变载荷幅值对载荷与变形的幅值比和变形滞后载荷的相位差的影响较小,幅值比和相位差分别约为9.1和0.25。基于软骨对软骨、软骨对玻璃和球对软骨的接触配副,对软骨滑动摩擦行为进行研究。结果表明,表面轮廓的几何特征对摩擦副的接触状态和摩擦行为起着重要影响,而外载荷、滑动速率、预压时间、接触区域和润滑液等只改变相应的影响。软骨对软骨的摆动摩擦学特性表明,较大摆动量产生接触载荷的较高波动幅值,较低摆速产生较高的软骨变形量。内旋的摩擦系数显著高于外旋的摩擦系数,但内旋摩擦系数的幅值低于外旋的幅值。摆动试验的相关系数显著高于滑动测试的相关系数,这表明摆动接触软骨摩擦副的接触贴合性更好。软骨摩擦副的模拟结果表明,软骨表面的液体渗流特性与接触频率和接触副有关,接触应力、孔隙压力、液体流速和接触位移与时间均呈非线性变化。当软骨表面处于接触区域,其接触应力、孔隙压力有着稳定的变化,流体速率和位移受接触副的影响较大。当软骨表面处于间隔接触,其接触应力、孔隙压力在接触区域附近有着显著的变化,在其余区域均趋于零,而液体的垂直速率及位移均高于水平速率及位移。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
Abstract (detailed)  9-20
1 绪论  20-33
  1.1 研究背景  20-21
  1.2 研究现状  21-31
    1.2.1 关节软骨的组成  21-22
    1.2.2 关节软骨的结构表征  22-24
    1.2.3 关节软骨的力学模型  24-25
    1.2.4 关节软骨的力学性能  25-27
    1.2.5 关节软骨的摩擦行为  27-29
    1.2.6 关节软骨的润滑机理  29-31
  1.3 研究目标  31-32
  1.4 研究内容  32-33
2 关节软骨的摩擦行为研究  33-40
  2.1 引言  33
  2.2 试验材料与方法  33-36
    2.2.1 试验材料  33
    2.2.2 试验方法  33-35
    2.2.3 五点滑动平均法  35-36
  2.3 结果与讨论  36-39
  2.4 本章结论  39-40
3 关节软骨的物理特性研究  40-53
  3.1 引言  40
  3.2 关节软骨内吸收液体的分布状态  40-43
    3.2.1 材料与方法  40-41
    3.2.2 结果和讨论  41-43
  3.3 关节软骨内吸收液体的置换特性  43-45
    3.3.1 材料与方法  44
    3.3.2 结果与讨论  44-45
  3.4 关节软骨的表面形貌特征  45-47
    3.4.1 材料与方法  45
    3.4.2 结果与讨论  45-47
  3.5 关节软骨的渗透特性  47-52
    3.5.1 试验原理  47-48
    3.5.2 试验装置  48-50
    3.5.3 试验材料  50
    3.5.4 结果与讨论  50-52
  3.6 本章结论  52-53
4 关节软骨的微观结构及其分形表征  53-65
  4.1 引言  53
  4.2 关节软骨的微观结构  53-54
    4.2.1 材料与方法  53
    4.2.2 结果与讨论  53-54
  4.3 关节软骨的分形表征  54-57
    4.3.1 计盒维数  55
    4.3.2 MATLAB与计盒维数  55-56
    4.3.3 关节软骨微孔的计盒维数  56-57
  4.4 关节软骨的结构描述  57-60
  4.5 关节软骨结构的分形模拟  60-64
    4.5.1 Sierpinski地毯及其分形模型  60-61
    4.5.2 关节软骨的分形结构  61-64
  4.6 本章结论  64-65
5 关节软骨的变形特性研究  65-72
  5.1 引言  65
  5.2 线性加载  65-67
    5.2.1 材料与方法  65-66
    5.2.2 结果与讨论  66-67
  5.3 交变加载  67-71
    5.3.1 材料与方法  67-68
    5.3.2 结果与讨论  68-71
  5.4 本章结论  71-72
6 关节软骨的滑动摩擦行为  72-103
  6.1 引言  72
  6.2 表面轮廓对软骨摩擦的影响  72-82
    6.2.1 材料与方法  72-73
    6.2.2 结果与讨论  73-82
  6.3 滑动坡度对软骨摩擦行为的影响  82-93
    6.3.1 材料与方法  82-83
    6.3.2 结果与讨论  83-93
  6.4 接触面积对软骨摩擦行为的影响  93-95
    6.4.1 材料与方法  93
    6.4.2 结果与讨论  93-95
  6.5 润滑液体对软骨摩擦行为的影响  95-98
    6.5.1 材料与方法  96
    6.5.2 结果与讨论  96-98
  6.6 球形接触的软骨摩擦行为  98-101
    6.6.1 材料与方法  98-99
    6.6.2 结果与讨论  99-101
  6.7 本章结论  101-103
7 关节软骨的摆动摩擦行为  103-122
  7.1 引言  103
  7.2 摆动对软骨摩擦行为的影响  103-111
    7.2.1 材料与方法  103-105
    7.2.2 结果与讨论  105-111
  7.3 摆动方向对软骨摩擦行为的影响  111-120
    7.3.1 材料与方法  111-112
    7.3.2 结果与讨论  112-120
  7.4 本章结论  120-122
8 关节软骨的二相力学模型及渗流模拟  122-153
  8.1 引言  122
  8.2 关节软骨的二相力学模型  122-124
  8.3 关节软骨的变形模型及特征参数  124-129
    8.3.1 软骨单向压缩的变形模型  124-127
    8.3.2 关节软骨的特征参数  127-129
  8.4 关节软骨的渗流模拟  129-152
    8.4.1 软骨线性加载的渗流模拟  130-134
    8.4.2 软骨对玻璃的渗流模拟  134-142
    8.4.3 球对软骨的渗流模拟  142-147
    8.4.4 软骨对软骨的渗流模拟  147-152
  8.5 本章结论  152-153
9 结论  153-155
参考文献  155-164
作者简历  164-166
学位论文数据集  166

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