多场耦合载荷作用下骨重建行为的数值分析

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活体骨在生长过程中不断受到外载荷的作用。骨的功能每一次变化,都按着外部形态和内部结构反映了其功能,活体骨不断进行着生长,加强和再吸收过程,这个过程称为骨的“重建”。骨重建的目标总是使其内部结构和外部形态适应其载荷环境的变化。重建可分为表面重建和内部重建。表面重建是在骨外表面上骨材料的再吸收或沉积;内部重建是指通过改变骨组织的体积密度时骨组织内部的再吸收和强化。本文在骨的功能适应性理论的基础上,引入了骨质材料的内部重建理论模型。通过对所引入的理论模型内的参数进行变换,并利用有限元计算的方法分别研究了(1)无压电性质时骨质材料的内部重建问题(2)具有压电性质的骨质材料在力载荷作用下的内部重建问题(3)具有压电性质的骨质材料在力载荷、电载荷共同作用下的内部重建问题。在计算过程中,文中采用了“节点法”进行计算,避免了使用“单元法”时将会出现的“方格盘效应”,而且使用了一阶Adams-Bashforth方法进行密度的递推计算,保证了计算精度,加快了收敛速度。在以上三种计算情况下,通过对加载形式的变化,分别进行多种计算。文中相应地给出了各种计算结果,画出了密度云图以及模拟出了骨质材料的最大密度值随着循环步数的变化趋势。通过对各种计算结果的比较,分析了骨质材料的性质和加载形式对骨重建的影响。骨的重建原理、应力与骨生长关系的理论等,对于矫形外科、骨伤的治疗、康复学等都有着重要的临床应用价值。对不同加载条件下骨骼生长与重建机制的研究,可以为外科创伤的预防和治疗、人工置换材料的研制等临床问题提供理论依据。需要指出的是,本文的所有结果都是建立在一定的数学模型的基础上的,其成立有严格的假设为先决条件,所以,这些结论在用于临床实践前还需进一步实验验证。文中所引入的理论模型还存在一定的不足之处,在以后的工作中,需要找到新的理论模型,以便能更好的区分力载荷、电载荷各自对骨重建的影响。文中得到的结果可以为骨骼损伤的康复和骨骼疾病的治疗提供一定价值的参考。
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