密质骨各向异性及其强韧机理研究

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1、密质骨各向异性及其强韧机理研究重庆大学博士学位论文学生姓名：尹大刚指导老师：陈斌教授专业：力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二O一五年十一月万方数据万方数据InvestigationsofAnisotropyandStrengthening-tougheningMechanismsofCorticalBoneAThesisSubmittedChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByYinDa

2、gangSupervisedbyProf.ChenBinSpecialty:MechanicsCollegeofAerospaceEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember2015万方数据万方数据中文摘要摘要哺乳动物的骨是一种由胶原纤维、羟基磷灰石、无定形胶原基质和水等组成的自然生物复合材料。经过若干世纪的选择进化，骨具有了高的强度、刚度及断裂韧性，为动物躯体的支撑和运动的完成起到了不可缺少的重要作用。人们发现尽管组成骨的原始材料及成分的力学性质并不好，但是自然

3、进化的神奇作用，使得这些材料和成分得到优化的组合与分布，形成了各种优良的微结构，这些优良微结构使骨具有了强韧兼备、功能互补的优良力学性质。对骨生物复合材料各种优良微结构的深入研究，将为人工合成高性能复合材料提供有益指导。本文以天然生物复合材料密质骨为研究对象，通过力学测试、观察实验、模型分析、数值模拟和仿生实验相结合的方法，研究了骨的多级微纳米结构与其力学行为的关系，揭示了骨多级微纳米结构的强韧机理，提出了高性能复合材料仿生制备的新思路。本文的主要工作及结论如下：①通过四点弯曲实验、紧凑拉伸实验、纳米压痕实验测试骨在不同方向上的宏

4、微观力学性质，并用光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察骨在沿不同方向断裂时的断裂路径和微结构特征。结果表明骨具有明显的各向异性性质。在宏观尺度上，骨在横向上的断裂功最大，纵向次之，径向最小。在微观尺度上，骨的轴向的硬度和弹性模量比横向的硬度和弹性模量大。骨的各向异性性质与骨的微结构密切相关。骨单元及其表面黏合线与骨的断裂面的不同方向关系造成骨中的裂纹发生不同程度的偏转，这是骨具有宏观各向异性性质的主要原因。而骨板中矿化胶原纤维的不同方向是骨具有微观上各向异性性质的主要原因。②基于三个不同方向断面的SEM照片，认为骨裂纹扩展路径具有统

5、计自相似的特征，建立骨沿三个不同方向断裂时裂纹偏转的分形模型，用分形理论中的能量耗散计算方法，计算了骨沿三个不同方向断裂时耗散的能量，分析计算的结果与弯曲实验得到的结果有很好的一致性。根据扫描电镜观察到的骨中裂纹扩展情况，建立裂纹分叉分形模型和系带桥联分形模型，定量分析了骨中裂纹分叉增韧机理和系带桥联增韧机理，研究发现骨中裂纹分叉和系带桥联都能增加骨的裂纹临界扩展力和断裂韧性。③针对由四点弯曲实验得到的骨三个方向断面的SEM照片，通过Matlab编程算出三个断面的分形维数和相应的灰度共生矩阵的特征参数（角二阶矩、对比度、熵、逆差矩

6、）。结果表明横向断面分形维数最高，纵向次之，径向最小。分形维数能反映骨的断面形貌的复杂程度和粗糙度水平。且随着分形维数的增加，断裂功增加。灰度共生矩阵的四个特征参数能精确地描述骨的断面形貌的某一特征，I万方数据重庆大学博士学位论文具有很好的纹理表达能力。将分形维数和灰度共生矩阵参数结合起来组成多维特征集，可以较完整地描述骨的断裂表面的形貌特征，可望实现骨断面类型的自动分类识别。④采用多尺度有限元方法，分析了宏观股骨在受到外力作用时，股骨密质骨中的微观骨单元及骨间质处的应力分布，得出在骨单元的哈弗氏管边缘处及骨单元之间的骨间质处存在

7、应力集中的结论。然后根据材料应力集中处易萌生裂纹，假设在哈弗氏管边缘处及骨单元之间的骨间质中存在裂纹，采用扩展有限元方法，分析了骨中的黏合线对这些裂纹扩展规律的影响。计算结果表明骨中黏合线的存在使裂纹扩展发生偏转和裂纹长度缩短，且使裂纹扩展需要更大的应力和应变值，这些都说明黏合线的存在，提高了骨的抗断裂能力。⑤采用渐进失效分析的方法，以ABAQUS6.13有限元软件为计算平台，利用FORTRAN语言编制USDFLD子程序，并嵌入ABAQUS有限元软件中，分析了三种不同的骨单元模型的损伤失效过程。三种骨单元模型分别是环向腔隙结构模型

8、、径向腔隙结构模型和圆形腔隙结构模型。结果表明主轴平行于环形骨板的椭圆形腔隙结构是一种优化结构，它决定了微裂纹产生的位置及扩展的方向，使微裂纹沿着骨单元环向扩展，从而避免其进入哈弗氏管造成骨单元的破坏。⑥基于Mori-Tanaka（M-T）法，分步