非自相似分层次结构对骨组织断裂力学性能分析
【摘要】 目的研究非自相似分层次结构对生物复合材料的断裂力学性质及裂纹在其中扩展的影响。方法利用ABAQUS软件进行建模，采用扩展有限元法分别模拟矿物晶体长轴方向与矿化胶原纤维长轴方向夹角θ=0°、20°、40°、60°、80°时矿化胶原纤维束的刚度以及裂纹在其中产生和扩展情况。结果当θ≤40°时，θ对材料刚度的影响很小;当θ>40°时，材料刚度随着θ增大而减小，其极限拉伸应变随着θ增大而增大。当θ>0°时，裂纹在增强项两侧蛋白质扩展过程中有不对称现象，矿物晶体长轴偏转的一侧裂纹相对更容易扩展。结论生物硬组织材料中的非自相似分层次结构使得材料中的裂纹分布变得不均匀，故硬组织材料中的非一致排列现象可使得材料在外载荷作用下发生局部破坏而非灾难性脆断。研究结果可为材料设计提供理论支持。
