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關節(jié)軟骨是由骨膠原和蛋白聚糖固體相和孔隙流體相組成的多孔材料，其獨特的力學特性能有效地抵抗關節(jié)沖擊力、減輕關節(jié)面間的摩擦磨損、維持關節(jié)正常的運動及生理功能。研究軟骨的力學性能對人工關節(jié)軟骨材料的研制及相關軟骨疾病的診斷治療具有十分重要的指導意義。鑒于軟骨的力學特性很難體內測量，體外條件下的實驗測試又具有較大的誤差，應用關節(jié)軟骨的有限元分析力學計算仿真來掌握關節(jié)軟骨的力學特性、揭示軟骨的承載能力至關重要。
目前廣泛使用的軟骨模型是Mow等在混合物理論的兩相多孔介質理論基礎上建立的AC兩相多孔模型。該模型由兩種內在不可壓縮、不可混容的固體基質和液體組成，其中膠原纖維、蛋白多糖等固體基質視為線彈性固體，水和電解液視為理想流體。1981年，Lai等在AC兩相多孔模型的基礎上，實驗補充了滲透率與固體基質體積應變的函數(shù)關系，形成了軟骨的非線性兩相多孔介質理論。1999年，Li等提出了纖維增強多孔彈性(fibril reinforced poroelastic FRPE)模型。在此基礎上，有學者在大量軟骨力學實驗結果的基礎上考慮了隨深度變化的孔隙率、彈性模量和泊松比等力學參數(shù)，使仿真計算結果更加準確。
國內在AC建模分析方面的有關報道較少。嚴波等采用混合物理論兩相多孔介質模型，利用有限元方法分析AC的約束壓縮問題，研究AC組織應力松弛和蠕變特性。周海宇等分別用均勻和隨深度變化的兩種軟骨力學參數(shù)對軟骨非線性兩相多孔介質模型進行了計算比較，結果表明在分析軟骨的固相應力、液體壓力和流動等問題時，需要考慮隨深度變化的軟骨力學參數(shù)。上述兩相多孔介質模型沒考慮AC壓縮時徑向分布膠原纖維的抗拉伸性能，將使計算得到的壓縮彈性模量偏低。本研究基于纖維增強多孔彈性模型，綜合考慮AC分層結構以及AC滲透率隨固體基質膨脹度變化特性，將依賴深度變化的力學參數(shù)引入FRPE模型，應用ABAQUS軟件對關節(jié)軟骨無約束壓縮力學進行有限元分析，以階梯加載方式揭示關節(jié)軟骨的承載機理和應力松弛效應。
針對AC無約束壓縮，采用ABAQUS/CAE模塊建立AC無約束壓縮幾何模型。試件是半徑為R、高度為h的圓柱體，在徑向方向無約束;壓頭和底座均為不可滲透剛體。由于AC試件為軸對稱結構，可按軸對稱問題建模僅考慮試件半個截面以減少運算分析時間。在此設定壓頭中心為參考點，便于后期邊界條件、求解輸出的處理。
通過Mesh模塊進行單元類型選擇和網(wǎng)格劃分。對AC試件軸向方向均勻劃分為12份;徑向方向靠近AC試件外邊緣處由于壓縮產生應力集中，需要進行網(wǎng)格細分。徑向網(wǎng)格劃分比例為0.5:025:0.25，劃分網(wǎng)格數(shù)為5:5:8。采用8節(jié)點軸對稱含孔壓單元來表示固體基質，共計216個單元，709個節(jié)點，其中孔隙壓力僅作用在單元4個拐點處。此處用彈簧單元(SPRINGA)來表示膠原纖維。由于膠原纖維結構纖長，主要在：方向上表現(xiàn)抗拉伸性能，不考慮其：方向上壓縮，共計684個彈簧單元。
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