关节软骨是一种覆盖在软骨下骨表面,具有非线性、粘弹性的负重水化结缔组织,是骨关节非常重要的组成部分。它对传递载荷、缓冲震荡、维持日常活动起到十分关键的作用。当软骨承受循环压缩载荷时,尽管在单个应力循环过程中变形可能很小,但随着加载次数的增加,变形积累会达到一个很高的水平,很可能造成软骨的疲劳损伤或者发生病变,机械疲劳也被认为是骨关节炎的主要诱因之一。所以,研究循环压缩载荷作用下关节软骨的棘轮行为对于软骨疾病的防治十分重要,同时还能为人工软骨的研制提供力学参考。本文以猪膝关节软骨为研究对象,开展了非围限循环压缩载荷作用下的关节软骨的棘轮加载实验;采用非接触式数字图像相关技术,研究了软骨微观不同层区的棘轮行为变化;同时,对比分析了浸泡条件下与未浸泡条件下的软骨棘轮应变。结果发现,关节软骨的棘轮应变随加载圈数的增大而增大,增长曲线可分为两个阶段,时间较短但应变急剧增长的瞬变阶段和时间较长但应变增长缓慢的平稳阶段。棘轮应变率则是在很短的初始阶段急剧减小,之后在很长的时间内保持在较低的水平。在加载初期,浸泡条件下的棘轮应变较未浸泡要小,但随着循环载荷的进行,二者逐渐趋向于一致。关节软骨不同层区的棘轮应变及其变化率均沿着软骨深度方向递减,即浅表层最大,中间层次之,深层区最小,而不同层区的杨氏模量则与棘轮应变的变化趋势相反。通过完成不同加载条件下的实验,对影响关节软骨棘轮行为的因素进行了探究。研究发现,应力幅、加载速率、波峰/波谷保持时间和蠕变预加载对软骨的棘轮行为都有很大的影响。关节软骨的棘轮应变和棘轮应变率分别随所施加的应力幅、波峰/波谷保持时间的增加而增大;随着加载速率的增加,二者都减小。具有蠕变预加载的棘轮应变较没有的要大很多,而蠕变预加载后在生理盐水中恢复30分钟会使应变减小,但仍大于无蠕变预加载的结果。本文还建立了关节软骨的棘轮本构模型,并对其棘轮应变进行了预测,发现预测结果与实验结果吻合良好。