关节是人体活动的重要器官。关节软骨在异常载荷下可以引起其内部组成成分变化,改变软骨的力学性能,从而引起软骨继发性损伤。所以研究软骨内细观结构的力学性能改变,对软骨力学行为的影响非常重要。此研究可以补充和完善关节软骨损伤演化的力学机制,为软骨疾病的预防和治疗提供参考数据。本文从关节软骨的细观结构出发,运用ABQUS软件建立纤维增强的多孔粘弹性关节软骨的细观数值模型,模型考虑了纤维和基质随软骨深度变化的力学参数。首先研究了异常应力作用或软化退化后,在滚压载荷作用下胶原纤维断裂的位置和方式对软骨力学行为的影响,然后考虑了软骨退化过程中纤维“集束”现象的力学机制,数值分析结果显示:基质的最大主应变出现在软骨中层靠上某个位置,此位置不受纤维断裂模式和纤维束尺寸的影响。中层纤维断裂对软骨力学性能影响较大。纤维束增粗可以降低基质的最大主应变,一旦纤维束发生断裂,较粗纤维束的软骨基质最大主应变值更大,使软骨更易发生损伤演化情况。可以推测软骨在异常应力作用下纤维“集束”现象是一种自我保护机制。其次,基于纤维增强多孔粘弹性二维数值模型,按照损伤演化准则采用刚度折减法研究软骨异常载荷后内部软化引起的损伤演化过程。结果显示从内部中间层开始,损伤范围逐渐扩大,在软骨内形成一个椭圆形区域。在中层位置水平方向损伤扩展的速度最快,损伤区域的间质液流速最大。最后,建立带钙化层结构的纤维增强多孔粘弹性关节软骨三维细观模型,参数化研究钙化层在冲击、压缩、滚压和扭转载荷作用下的力学作用。结果显示:当受冲击载荷作用时,软骨的最大应力在软骨深度的1/3位置,应力随着冲击速度的增加而增大;在相同的冲击载荷下,软骨基质应变随着钙化层硬度的增加而减小。在各种载荷作用下,钙化层与软骨下骨接触部位的应力不是随着钙化层硬度的增加而减小,而是钙化层硬度适中时钙化层所受应力最大。钙化层硬度太小则不能很好的把载荷传递个软骨下骨,钙化层太硬则会损坏软骨,说明钙化层结构虽小,在力学上起的作用很重要。本文通过建立软骨的细观模型研究软骨细观结构在载荷作用下起的力学作用,获得了一些有意义的结论,为组织工程软骨的构建和软骨疾病的防治提供了参考数据。