膝关节是人体中最大且非常重要的关节,由于它具有使用频繁、运动量大、承受应力高的特点,很容易遭到不同程度的损伤,其关节表面软骨的损伤在临床上就比较常见。而由于关节软骨的特殊性,加之本身再生能力较差,对其修复治疗十分困难,其原因之一便是软骨的损伤演化机制本身就非常复杂。因此,深入研究软骨的损伤病理和损伤演变机制就显得尤为重要。由于体内软骨缺损处力学环境不易测量,同时考虑到软骨损伤后的复杂性,本文在实验的基础上,主要通过有限元方法研究了微缺损软骨的损伤演化过程,获得了软骨在多种载荷条件下的损伤演化规律和损伤力学机制,为关节软骨的临床疾病研究和修复治疗提供了理论依据。本文研究过程包含数值仿真研究和实验研究。实验研究中,利用课题组专门设计的加载装置对猪膝关节软骨试样进行了多种载荷加载实验,并借助数字图像散斑技术采集分析实验图片,将处理的实验结果与仿真结果进行对比分析,发现两者变化趋势较为相近,结果吻合良好,从而验证了模型的有效性。数值仿真研究是本文的核心内容,主要通过有限元软件ANSYS12.0建立了多种载荷下微损伤软骨的纤维增强二维模型来研究关节软骨的损伤演化力学机制,模型中的纤维首次采用了更接近实际的拱形交叉结构。以多个模型为基础,分别研究了在多种载荷下微缺损软骨的损伤力学机制,主要包括:根据计算的数据结果和损伤准则,分析对比了在滚压、滑压和均布压缩加载下的微缺损软骨的损伤演化过程,探索了损伤扩展方向和速率的变化规律以及不同滚动/滑动速度和不同压缩量对损伤扩展的影响,另外还分析了纤维单向破坏对软骨承载的影响及内部裂纹对软骨应力分布的影响。数值研究表明软骨的损伤有着比普通复合材料更为复杂的扩展演化过程,是载荷形式、载荷大小及运动速度等多种因素共同作用的结果。软骨损伤演化过程与纤维的分布有着密切的关系,在损伤扩展前期,软骨中的裂纹和损伤优先沿着纤维切线方向延伸,纤维在损伤中起到了导向作用,完整精细的纤维网络对软骨的承载起着重要作用,纤维一旦断裂将加速软骨基质的损伤。相比于滑压载荷,滚压载荷对软骨损伤演化的影响更大,在软骨损伤演化过程中,其扩展方向和扩展速度随着损伤程度不断发生变化,在均布压缩下,软骨还同时存在向深层和两侧扩展的趋势。软骨的损伤与载荷压缩量呈明显的正相关性,运动速度对软骨基质有更大的影响。内部细小裂纹在长期受载下会逐渐延伸扩展,可能形成表面可见的损伤。损伤会造成软骨机能的退变,导致承载能力显著下降,所以软骨损伤需要得到及时修复。