基于压痕实验确定非均质材料力学特性的研究

目的高眼压下筛板变形将挤压视神经,导致视神经轴浆流阻断,因此研究筛板的力学特性有重要意义。筛板区组织包含筛板和视神经节细胞轴突,可看作是一种典型的非均质复合材料。利用有限元方法模拟压痕实验,研究筛板区组织力学特性与孔隙率的关系,提出一种筛板区组织力学特性的确定方法。方法基于大鼠筛板区组织微观结构,建立大鼠筛板区组织的理想化非均质复合材料三维有限元模型。利用有限元方法模拟球形压头压入的过程,获得不同孔隙率时压头的压入深度与压入载荷曲线,利用量纲分析获得压入载荷与孔隙率、筛板力学特性及视神经节细胞轴突力学特性的关系,从而确定筛板的力学特性。结果随着探针压入深度的增加,筛板区组织的微结构对宏观压痕结果的影响逐渐减小,力学特性逐渐趋于稳定。基于无量纲公式预测筛板区组织在压痕实验下的有效弹性模量,并利用数值算例验证了预测弹性模量方法的有效性,结果发现弹性模量识别误差低于10%。结论测量视乳头筛板区孔隙率后,可以使用无量纲公式对筛板力学特性进行定量评估,对于深入研究青光眼的发病机制以及临床上青光眼的早期诊断具有重要意义。