人工膝关节置换是治疗类风湿性关节炎和骨性关节炎最有效、最成功的手段。通常，全膝人工关节是由金属/陶瓷股骨假体、超高分子量聚乙烯衬垫和金属底座等几部分组成。临床统计学资料显示，超高分子量聚乙烯衬垫的磨损是影响膝关节假体寿命的主要因素。如何从生物摩擦学的角度设计人工膝关节假体、研究膝关节假体失效的摩擦学机理和提高假体的使用寿命，一直是生物医学工程领域的前沿课题。　　 本论文从两个方面开展了人工膝关节的生物摩擦学研究。一方面根据弹性流体动力润滑理论，围绕着关节在体内润滑机制这一主题，采用多重网格法，对膝关节假体的润滑进行了数值仿真；另一方面，从生物力学的角度研究膝关节假体的磨损原因，采用有限元方法，建立了人工膝关节股骨-胫骨接触模型，对各个典型步态相进行了股/胫骨假体的有限元接触分析，讨论了人工膝关节假体主要磨损形式的生物力学机理。主要研究内容包括以下几个方面：　　 完整的人工膝关节弹流润滑分析是研究人工膝关节润滑问题的基础。本课题利用三坐标测量仪反求实际关节产品，建立假体的三维模型，通过曲线拟合得到股骨假体和胫骨假体在前后方向及侧方向上的曲线轮廓形状；选取步态运动这一日常运动作为参考，按照ISO标准确定关节假体的运动和力学参数；把步态运动中的股骨假体的屈伸运动和胫骨平台的前后移动同时考虑到流体润滑仿真中，确定流体表面相对速度。数值仿真过程中，施加的载荷和名义接触中心处的相对速度都是时间的变量，由此建立了膝关节时变弹流润滑的基本数值模型。　　 首先研究了理想状态下人工膝关节流体润滑问题，即忽略端泄方向的影响。针对膝关节流体润滑分析中的变速变载变曲率的特点，利用多重网格法，建立了膝关节时变线接触弹流润滑数值仿真方法，并设计了多重网格算法研究时变弹流润滑问题的完整流程，其中关节支承表面的弹性变形按半无限平面理论计算得到。研究结果表明：在运动周期内，承载区流体中心压力与外载荷变化基本相一致；站立相时，受卷吸和挤压效应的共同作用下，中心膜厚呈逐渐减小并伴随着波动；摆动相时，载荷固定，中心膜厚的波动主要受卷吸速度的作用；运动过程中，股骨髁曲率半径的改变可引起流体压力和润滑膜厚跳跃；减小胫骨平台主运动方向上的曲率半径，有助于增加流体润滑效果。　　 在时变线接触弹流润滑问题的数值仿真基础上，考虑到实际产品结构特点，构建了人工膝关节时变点接触弹流润滑问题的多重网格算法。数值计算中仅考虑超高分子量聚乙烯衬垫的变形，且弹性变形按约束柱模型计算。分析结果显示：站立相，中心膜厚呈逐渐减小趋势，站立相末期，载荷迅速减小，而中心膜厚的变化比较平缓；减小超高分子量聚乙烯材料的弹性模量和步态的时长、增加超高分子量聚乙烯衬垫的厚度以及提高关节假体侧方向上的匹配度，都有助于增加润滑膜厚，改善关节假体的润滑效果。　　 超高分子量聚乙烯胫骨假体的应力分布是判定膝关节假体磨损失效的重要依据。为此，建立了人工膝关节假体的非线性有限元接触模型，观察各步态相下超高分子量聚乙烯胫骨假体的表面接触压力及其应力分布。研究发现整个步态周期内，超高分子量聚乙烯胫骨假体的最大Mises等效应力主要集中在假体接触区的下表面，与最大剪应力的发生位置相吻合，这是造成假体疲劳和过度磨损的主要原因。　　 最后，采用了一种快速测定磨损区的方法。试验前在股骨假体表面镀金，将关节假体安装在关节运动模拟试验机运行后，根据假体表面镀金层的磨损区能在迅速地确定股骨假体的主承载区。通过对比试验结果与有限元接触分析结果，验证上述接触仿真的合理性。　　 本文针对人工膝关节的生物摩擦学问题，从关节假体的润滑和磨损两个方面展开了深入而系统地研究。首先从膝关节的弹性流体动力润滑入手分析膝关节假体在体内的润滑状况，然后在润滑分析的基础上，从生物力学角度分析关节假体应力分布对磨损形式的影响。本课题的研究对改进人工膝关节假体的设计和延长假体临床寿命等具有重要的理论和现实意义。