骨作为一种由胶原纤维和羟基磷灰石组成的自然生物复合材料,具有很高的断裂强度和断裂韧性。骨优良的力学性质和它的宏微观结构密切相关,对其宏微观结构的深入研究将能够揭示其强韧机理,为人造骨骼材料提供有益的指导。本文通过宏细观相结合的实验和计算分析,研究骨的宏微观结构与其力学行为的关系。完成了以下工作并得到若干有益结论:①选取家牛的扇子骨作为宏细观相结合实验的研究对象,用MTS材料试验机测试了该骨沿两个相互垂直方向的力学行为。实验结果表明该骨在载荷较小时保持较好的弹性性质,而在载荷较大时具有一定的塑性。实验结果也表明该骨沿两个相互垂直方向的弹性性质和极限强度不同,表明骨是一种各向异性的生物材料。②利用扫描电镜对宏观力学试验后的牛骨断面进行细观观察,发现其中的胶原纤维按螺旋方式排列。观察还发现其中存在彼此连通的哈弗氏管道,这些实验结果为骨的有限元模型分析提供了实验基础。③利用CT扫描技术、Mimics医学成像、Imageware快速原型复制及ABAQUS软件,形象客观地建立了具有真实性和立体感的人左股骨的整体有限元模型,为骨的多尺度有限元分析提供了分析基础。这表明CT扫描技术、Mimics医学成像、Imageware快速原型复制技术能够为骨等生物材料宏细观结构与力学行为研究提供技术保障。④通过对股骨宏观尺度到细观尺度、再由细观尺度到微观尺度的有限元分析,得到在正常步态下的单脚站立情况时,股骨在不同尺度下的应力-应变分布。计算结果表明微观模型得到的最大应变值比宏观模型得到的最大应变值高4倍。这是因为微观模型考虑了股骨微观尺度下的结构细节。计算结果也表明大应变及大应变率出现在腔隙和骨小管周围。由于大应变及应变梯度可导致骨细胞的再生及微裂纹产生,故此研究结果与生物学的细胞学实验研究结果一致。⑤使用ABAQUS的UMAT子程序分析了股骨超微结构-骨单元中的胶原纤维层和粘接层中的应力与纤维层螺旋角度的关系。分析结果表明在0°到90°之间,随着纤维角度的增大,骨单元的mises应力逐渐减小。而在90°到180°之间,随着纤维角度的增大,骨单元的mises应力逐渐增大。粘接层在同一螺旋角的情况下,从外到内粘接层应力是递减关系。在0°到45°之间,随着纤维螺旋角度的增大,粘接层的mises应力逐渐减小。而在45°到90°之间,随着纤维螺旋角度的增大,粘接层的mises应力逐渐增大。⑥使用ABAQUS的XFEM模拟了股骨中微裂纹的扩展。结果表明股骨不同的初始微裂纹方向将导致裂纹扩展方向的不同。