我们的人体支架骨骼的力学性能概论

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1、第四讲骨力学骨力学1、骨的基本结构2、骨的分类3、骨骼系统的作用4、骨结构及其力学特性5、骨的力学性能骨的基本结构骨的基本结构包括：骨膜、骨质和骨髓。骨的基本结构（骨膜）骨膜是一层坚韧的结缔组织膜，覆盖在骨的表面；内含丰富的血管、神经和成骨细胞，对骨营养、再生、和感觉有重要作用。骨的基本结构（骨质）骨质有骨密质和骨松质两种。前者质地坚硬致密，布于骨的表层；后者呈海绵状，由许多片状的骨小梁交织而成，布于骨的内部。骨的基本结构（骨髓）骨髓填充在骨髓腔和骨松质的空隙内，分为红骨髓和黄骨髓，红骨髓有造血功能。胎、幼儿的骨髓全是红骨髓。成年之后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，称黄骨髓，失去造血功

2、能。失血时又会转化红骨髓，造血完后恢复。骨的分类成人骨共206块，按存在部位可分为颅骨、躯干骨和四肢骨。按骨的形态可分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨。骨骼系统的作用骨骼系统的作用有二：一是保护内脏器官，提供坚固的运动链和肌肉附着点，使肌肉和身体得以方便地活动；二是参与机体的钙和磷的代谢。骨的血管丰富，并有神经分布。骨的代谢从不停止。骨结构及其力学特性问题提出：为什么善于奔跑的动物（如鹿、马、羚羊等）蹄腿部都比较细小？骨结构及其力学特性运动学和骨力学分析表明，动物奔跑时，超过80%的能量用于加速腿的末梢环节，而四肢末梢环节质量的80%是骨，因此，约有所需能量的50%是用于四肢末梢环节中骨的加速。如

3、果这些骨的质量减少10%，所需的功率将减少5%。因此，尽量减少这些骨的质量在运动的能量节约方面有重要的意义。这正是善于奔跑的动物蹄腿部细小的主要原因。骨结构及其力学特性长骨的结构特征与力学功能长骨是空心厚壁管形。其端部粗大，主要由松质骨构成。下面分析证明，长骨的这种结构形式，在强度、刚度、稳定性和吸收能量等方面的优势。材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。结构或构件抵抗弹性变形的能力，用产生单位应变所需的力或力矩来量度。结构或构件受力后保持原有稳定平衡状态的能力。长骨的结构特征与力学功能人的下肢骨常常承受压缩和弯曲联合载荷。从最小质量分析可以看出，长骨取薄壁管形最为合理。但长骨截面却为厚壁

4、管形，取这种形状的原因之一，是要求长骨在受力作用时要具有良好的稳定性。力学分析可近似地得出，壳壁失稳的临界应力和壁厚t与半径d之比成比例。式中：E为材料弹性模量，k是与材料泊松比v有关的常数。可以看出比值t/d（或用厚度与直径之比t/D）越大，丧失稳定的临界应力越大，也即可承受的轴向压力越大，结构越不容易失稳。这是长骨取厚壁圆筒形式的原因之一。长骨的结构特征与力学功能另一方面，由于骨腔内有骨髓，若将骨髓的质量也算进长骨总质量中，则由最小质量分析，长骨应取厚壁圆筒形式。长骨骨腔通常含有两种骨髓，即红髓和黄髓。红髓有造血功能，它对幼年骨是重要的，在成熟长骨中，则只在端部腔内有红髓。黄髓是脂肪，一般

5、认为它没有什么生理功能，可以看成仅是一种填充材料。密质骨的表现密度为1.8g/cm3，髓脂在体温下可看作粘性流体，它的密度约为0.93g/cm3。所以，虽然它对骨强度及刚度的影响一般不予考虑，但是对长骨总重量的贡献则不可忽视。考虑了骨髓质量后，通过计算，得到的长骨总质量随直径与厚度之比D/t的变化情况示于图2-1-6。图中，横坐标，表示长骨的内、外直径之比，括号内的值是相应的直径与厚度之比D/t。纵坐标，表示在具有相同的刚度（或强度，或抗冲击能力）时，管型骨质量Mt（包括髓脂的质量）与实体骨质量M之比值。曲线1，是与实体骨有相同刚度的、不含髓脂的管形骨的质量随径厚比的变化。曲线2、3、和4，是

6、将髓脂质量计入长骨质量后的情形。曲线2，对应于相同的刚度；曲线3，对应于相同的强度；曲线4，对应于相同的抗冲击能力。长骨的结构特征与力学功能可以看出，曲线2和曲线3很接近，这说明若以刚度或强度为目标函数，髓脂质量对长骨横截面形状的影响大致相同。它使长骨总质量（即骨的质量加髓脂质量）不再一直随D/t的增加而减少，最小质量发生在D/t约为7处。而且，在D/t=7附近，曲线相当平缓。这意味着，径厚比在7附近变化也能符合最小质量要求。这个径厚比值比以弹性稳定为目标函数（不考虑髓脂质量）要求的管壁厚得多（与曲线1比较）。曲线1，是与实体骨有相同刚度的、不含髓脂的管形骨的质量随径厚比的变化。曲线2、3、和

7、4，是将髓脂质量计入长骨质量后的情形。曲线2，对应于相同的刚度；曲线3，对应于相同的强度；曲线4，对应于相同的抗冲击能力。长骨的结构特征与力学功能从抗冲击能力的角度来分析。简单的考虑是，梁抵抗冲击弯曲的能力与sqrt(I)/C成正比（I为截面惯性矩，C是截面高度），曲线4是计算结果。这是要求管形骨具有更大的厚度，最小质量设计（包括髓脂的质量）要求在D/t约为4.6（这与对一些成年哺乳动物长骨实测的