论文部分内容阅读
本文是对于一种新型人工骨材料—海胆刺的结构和力学性能进行分析,通过扫描电镜以及Micro-CT分析揭示了天然海胆刺的特殊微观结构形貌,其中多孔结构有利于新生骨长入,致密生长环有利于承载应力,表明这种特殊的微观结构适合用于人工骨替换材料。然而,这种特殊的海胆刺材料的结构与力学性能间关系因其复杂的微观结构很难通过传统的力学实验和微观结构观察来进行分析,因此本文采用ANSYS有限元模型对海胆刺的结构和力学性能间关系做出分析,并进一步对海胆刺的仿生结构与力学性能间关系进行分析。主要研究内容和结果如下：(1)有限元模型建立：使用Micro-CT三维成像技术获取海胆刺样品的三维结构信息,重构成三维图像。通过Avizo软件,首先对三维图像进行几何处理,然后进行几何划分制作成三维有限元模型。利用Hypermesh删除多余的组成部分,选择合适的单元类型,转换格式进行保存,建立ANSYS可读的有限元模型。(2)海胆刺的结构和力学性能间关系分析：将上述有限元模型导入到ANSYS中,根据文献定义海胆刺的材料参数与属性,施加边界条件以及载荷,分析材料的应力应变情况。结果显示在静态压缩情况下,海胆刺结构中致密的生长环与多孔部分交界处出现应力集中现象；压缩载荷50 MPa时,最大主应力达到802.3MPa,最大应变约为1%。(3)仿生结构与力学性能间关系分析：利用SolidWorks设计出一种致密环与多孔结构交替的仿海胆刺的新结构,利用ANSYS对其进行有限元分析,得出该新型结构的应力应变情况,也证明了应力集中位置在致密环与多孔部分交界处,与海胆刺模型的应力分布情况吻合。对于该新型仿生结构,在静态压缩载荷50MPa时,最大主应力达到405.8MPa,比海胆刺中最大主应力有明显降低,说明新设计的仿生结构更有利于提高材料的应力承载能力。我们的研究结果显示海胆刺及其仿生结构具有的致密环与多孔结构相结合的特殊微观结构,不仅有利于新生骨长入,而且具有一定的承载应力的能力,比较适合用于人工骨材料。这些研究结果将为设计新型人工骨材料(如仿海胆刺结构人工骨)提供依据。