骨骼肌生物力学特性多尺度建模与仿真

针对肌纤维微观结构模型与显微镜下观察的图像存在一定差异、微观组分生物力学模型无法有效捕获骨骼肌剪切变形时的力学行为、骨骼肌多尺度数值模型计算成本高的问题,本文从实验、多尺度建模和仿真的角度研究骨骼肌被动力学特性,提出以曲边泰森多边形作为肌纤维截面形状,并建立骨骼肌微观尺度代表性体元RVE;提出新的生物力学模型(MMA模型),并将MMA模型作为肌纤维和结缔组织生物力学模型,MMA模型采用完全的应变不变量I4,I5,I6和I7,使骨骼肌的剪切行为从材料属性层面得以体现;结合骨骼肌力学实验结果、RVE模型、肌纤维和结缔组织的生物力学模型,建立骨骼肌多尺度数值模型.根据实验结果确定生物力学模型参数,通过多尺度均匀化方法实现微观尺度和宏观尺度之间的连接,最终获得骨骼肌宏观力学行为,通过纵向拉伸、横向拉伸、平面外纵向剪切和平面内剪切4种变形形式的仿真结果验证骨骼肌多尺度数值模型的收敛性.研究了生物力学模型中模型参数、肌纤维体积分数和肌纤维结构对骨骼肌宏观力学行为的影响,最后通过实验验证多尺度数值模型的有效性.本文骨骼肌多尺度数值模型不仅能够用于研究骨骼肌微观因素对宏观力学行为的影响,也可用于研究疾病对骨骼肌生物力学特性的影响及模拟骨骼肌重塑和再生.