海膽刺及其仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文是對于一種新型人工骨材料—海膽刺的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過掃描電鏡以及Micro-CT分析揭示了天然海膽刺的特殊微觀結(jié)構(gòu)形貌，其中多孔結(jié)構(gòu)有利于新生骨長入，致密生長環(huán)有利于承載應(yīng)力，表明這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)適合用于人工骨替換材料。然而，這種特殊的海膽刺材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能間關(guān)系因其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)很難通過傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)觀察來進(jìn)行分析，因此本文采用ANSYS有限元模型對海膽刺的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能間關(guān)系做出分析，并進(jìn)一步對海膽刺的

2、仿生結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能間關(guān)系進(jìn)行分析。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)有限元模型建立:使用Micro-CT三維成像技術(shù)獲取海膽刺樣品的三維結(jié)構(gòu)信息，重構(gòu)成三維圖像。通過Avizo軟件，首先對三維圖像進(jìn)行幾何處理，然后進(jìn)行幾何劃分制作成三維有限元模型。利用Hypermesh刪除多余的組成部分，選擇合適的單元類型，轉(zhuǎn)換格式進(jìn)行保存，建立ANSYS可讀的有限元模型。
　　(2)海膽刺的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能間關(guān)系分析:將上述有限元模型導(dǎo)入

3、到ANSYS中，根據(jù)文獻(xiàn)定義海膽刺的材料參數(shù)與屬性，施加邊界條件以及載荷，分析材料的應(yīng)力應(yīng)變情況。結(jié)果顯示在靜態(tài)壓縮情況下，海膽刺結(jié)構(gòu)中致密的生長環(huán)與多孔部分交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;壓縮載荷50 MPa時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到802.3MPa，最大應(yīng)變約為1％。
　　(3)仿生結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能間關(guān)系分析:利用SolidWorks設(shè)計(jì)出一種致密環(huán)與多孔結(jié)構(gòu)交替的仿海膽刺的新結(jié)構(gòu)，利用ANSYS對其進(jìn)行有限元分析，得出該新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況

4、，也證明了應(yīng)力集中位置在致密環(huán)與多孔部分交界處，與海膽刺模型的應(yīng)力分布情況吻合。對于該新型仿生結(jié)構(gòu)，在靜態(tài)壓縮載荷50MPa時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到405.8MPa，比海膽刺中最大主應(yīng)力有明顯降低，說明新設(shè)計(jì)的仿生結(jié)構(gòu)更有利于提高材料的應(yīng)力承載能力。
　　我們的研究結(jié)果顯示海膽刺及其仿生結(jié)構(gòu)具有的致密環(huán)與多孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合的特殊微觀結(jié)構(gòu)，不僅有利于新生骨長入，而且具有一定的承載應(yīng)力的能力，比較適合用于人工骨材料。這些研究結(jié)果將為設(shè)計(jì)新型人工