骨的多孔弹性与液流机械传导

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第一章 绪论 1
1.1 骨组织的多层次结构与功能 2
1.2 骨内液体流动 5
1.2.1 骨重建过程 5
1.2.2 骨的孔隙率 7
1.2.3 骨内渗透率 9
1.2.4 骨内孔隙压力 12
1.2.5 骨内液体流动的理论和数值模拟 14
1.3 骨的多孔弹性理论 16
1.3.1 控制方程 16
1.3.2 各向同性 17
1.3.3 横观各向同性 17

第二章 宏观尺度骨结构模型 20
2.1 引言 20
2.2 宏观理论模型的建立 21
2.2.1 控制方程及几何结构 21
2.2.2 模型解析解 22
2.3 宏观有限元模型的建立 30
2.4 宏观有限元计算结果与解析解对比 32
2.5 考虑骨髓腔压力的骨组织内部液体的流动行为研究 33
2.5.1 髓内压影响下的孔隙压力和流速 36
2.5.2 时程曲线 37
2.6 载荷强度对骨组织内多孔弹性力学行为影响 38
2.7 载荷频率对骨组织内多孔弹性力学行为影响 40
2.8 渗透率对骨组织内多孔弹性力学行为影响 42
2.9 讨论与结论 43

第三章 宏细观尺度模型 45
3.1 引言 45
3.2 基于多尺度结构的宏细观模型的建立 46
3.3 宏细观模型的边界条件和材料参数 47
3.4 有限元网格划分和收敛性分析 49
3.5 结果 50
3.5.1 宏细观模型的液体压力和流速的时程曲线 50
3.5.2 宏细观模型应力、应变、压力和流速的分布 52
3.5.3 渗透率对孔隙压力和流速的影响 53
3.5.4 宏观血管孔隙液体压力对宏细观骨陷窝-小管孔隙压力和流速的影响 53
3.5.5 载荷强度对孔隙压力和流速的影响 54
3.5.6 载荷频率对孔隙压力和流速的影响 54
3.5.7 宏细观骨单元层次的压力和流速 55
3.6 讨论与结论 56

第四章 细观尺度模型 59
4.1 引言 59
4.2 基于多尺度结构的细观骨单元有限元模型 61
4.3 骨板层弹性模量的不同对其多孔弹性行为的影响 62
4.4 骨板层渗透率的不同对其多孔弹性行为的影响 65
4.5 包含细观模型的宏细观模型截面 67
4.6 骨单元几何形态对其多孔弹性行为影响的有限元研究 68
4.6.1 骨单元几何形状和横截面曲率对其压力和流速的影响 68
4.6.2 骨单元横截面积对其压力和流速的影响 72
4.6.3 骨单元壁厚对其压力和流速的影响 74
4.7 讨论与结论 76

第五章 细微观尺度模型 81
5.1 引言 81
5.2 基于多尺度结构骨陷窝和骨小管的多孔弹性有限元模型 83
5.2.1 细微观模型的材料参数 84
5.2.2 细微观模型的边界条件和网格划分 87
5.3 渗透率对宏细观模型压力和流速的影响 88
5.4 宏细观模型与细微观模型的对比验证 89
5.5 细微观模型孔隙压力、流速和流体切应力 90
5.6 渗透率对细微观模型沿骨组织半径方向的影响 91
5.6.1 渗透率对骨组织半径方向压力的影响 91
5.6.2 渗透率对沿骨组织半径方向流速的影响 91
5.6.3 渗透率对沿骨组织半径方向切应力的影响 91
5.7 骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响 95
5.7.1 基于骨单元微观结构计算其渗透率 95
5.7.2 基于骨陷窝形状计算其渗透率 97
5.7.3 基于骨陷窝方向计算其渗透率 100
5.8 骨单元控制方程及有限元模型的建立 101
5.8.1 控制方程 101
5.8.2 有限元模型的建立 101
5.9 骨陷窝形状和方向对其液体流动的影响 103
5.9.1 骨陷窝形状的影响 103
5.9.2 骨陷窝方向的影响 105
5.10 讨论与结论 106

第六章 总结与展望 111
6.1 工作总结 111
6.2 主要贡献及创新点 114
6.3 未来工作展望 116

参考文献118