瓣膜置换手术是目前治疗心脏瓣膜疾病最有效的方法,自1965年生物瓣首次植入人体以来,由于生物瓣较机械瓣具有优良的生物相容性,且病人无需进行长期抗凝治疗,因此在临床中得到广泛应用。但是,生物瓣应用的最大问题是其耐久性不如机械瓣。国内外研究表明生物瓣的失效形式主要有钙化和撕裂,这两种失效形式均与瓣叶内部的应力分布有关。生物瓣膜瓣叶通常采用猪主动脉瓣和牛心包作为材料,猪主动脉瓣可以看作是一种按特殊规律排列的胶原纤维加强的弹性网,其表现出如同各向异性纤维增强复合材料的特性。材料非线性各项同性及正交各向异性对于心脏瓣膜的力学性能与机械损伤有着重要的影响,然而,由于瓣膜复杂的自然结构,实验和模拟瓣膜材料非线性特性仍存在很大的挑战。因此,建立生物瓣膜有限元模型,并对其进行材料非线性力学性能分析,研究瓣膜闭合阶段材料非线性各项同性及正交各向异性的应力分布及变形情况对于分析生物瓣膜应力分布和优化设计有着重要的作用。同时对于研究影响人工心脏瓣膜应力分布的因素具有十分重要的理论价值和现实意义。本文利用壳模型及拉格朗日方法,通过建立符合空间几何方程的圆柱面、圆球面、旋转抛物面和椭球面四种参考型面,依次与其对应的倒圆锥面相交确定边界线和重要点的空间位置,得到一系列较为精确的尺寸参数,建立瓣叶数学模型,并对其进行几何非线性、材料非线性各项同性及正交各向异性的力学性能分析,得到接近自然瓣膜的应力分布情况,通过比较各种型面瓣叶的应力分布及变形情况发现：瓣叶几何非线性与材料非线性分析中应力峰值均出现在瓣叶与瓣架结合点的最高处,在正交各向异性分析中,椭球型面与旋转抛物型面瓣叶应力峰值出现在瓣叶与瓣架缝合区域的最低处,圆球型面与圆柱型面瓣叶峰值出现在瓣叶与瓣架结合点的最高处,瓣叶最大应力值高于各项同性瓣叶,这是由于各项异性瓣叶在径向方向上有较高的杨氏模量,同时,由于各向异性材料在轴向方向上刚度减小,所以对称边的变形较大。综上所述,椭球型面瓣叶的力学性能较好,优于圆球型面瓣叶、旋转抛物型面瓣叶和圆柱型面瓣叶,同时生物瓣膜材料各向异性特性对于了解瓣膜在人体内的失效机理具有重要意义,这为瓣膜造型优化、瓣架成型加工奠定了坚实基础。