医用纳米粒子射流喷雾式冷却生物骨微磨削热力学作用机理与温度场动态模型

发布时间：2020-04-10 23:01

【摘要】：微磨削是骨外科手术中常见和基本的操作,临床神经外科医生采用生理盐水滴灌式微磨削实现对骨组织的去除,冷却效率低、手术区域能见度差,凭经验调整磨削用量易导致手术温度过高,而人体骨及神经、血管都极易受到高温的影响;磨削温度过高引起的骨坏死、神经不可逆的热损伤是骨外科手术的瓶颈问题之一。同时,生物骨组织作为一种结构复杂的硬脆材料,在磨削过程中伴随着大量的微裂纹产生,微裂纹极易扩展连通导致骨断裂;机械应力过大引起的骨裂纹损伤(力损伤)是外科骨磨削的另一技术瓶颈,严重限制了微磨削在外科手术中的应用。而骨组织去除过程中热损伤及力损伤问题的本质及科学本源都可归结为机械工程的热力学问题,依此,本文提出一种纳米粒子射流喷雾式冷却生物骨微磨削新工艺,借鉴机械工程领域对磨削热损伤及裂纹损伤的抑制措施,解决外科骨手术的瓶颈,为临床外科骨手术避免或降低热力损伤提供理论指导与技术支持。为此,本文开展了纳米粒子射流喷雾式冷却生物骨微磨削热力学作用机理的研究,研究了微磨削区纳米粒子射流对流传热机理,揭示了纳米级固体粒子强化换热机制,建立了纳米粒子射流喷雾冷却条件下的对流换热系数数学模型;揭示了微磨削区热量分配机制,建立了纳米粒子射流喷雾冷却微磨削区热分配系数模型;研究了硬脆生物骨材料微磨削力学行为,建立了生物骨微磨削尺寸效应下的最小切屑厚度模型;揭示了硬脆骨材料应力传递及裂纹扩展机理,建立了延-脆转变临界未变形切屑厚度模型,揭示了生物骨延性域去除动态热源分布规律;在此基础上,建立了纳米粒子射流喷雾冷却生物骨微磨削温度场动态模型。论文主要包括以下内容:(1)研究了微磨削区纳米粒子射流喷雾液滴对流传热机理,揭示了喷雾液滴粒径概率密度分布机制,探索了射流参数对喷雾边界的影响规律;采用韦伯数及拉普拉斯数分析了液滴撞击热源表面后的动态行为,对有效换热液滴粒径进行了概率统计分析;探索了单颗纳米流体液滴换热系数,在此基础上,建立了纳米粒子射流喷雾冷却条件下的对流换热系数模型,探索了射流参数、液滴铺展特性参数对对流换热系数的影响规律。(2)设计并搭建了符合喷雾式冷却边界条件的对流换热系数测量系统,解决了目前管内对流换热系数测量不符合实际喷雾式冷却工况,导致喷雾式冷却对流换热系数测量误差大的瓶颈问题;分析了测量系统的测量误差,通过测量纯生理盐水喷雾及不同医用纳米粒子射流喷雾冷却的对流换热系数,分析了对流换热系数理论模型的误差;揭示了纳米级固体粒子在微磨削区的强化换热机制。(3)研究了硬脆生物骨材料延性域去除机理,揭示了骨材料微磨削力学行为,探索了生物骨微磨削延性域去除未变形切屑厚度阈值分布规律;基于应变梯度塑性理论,建立了生物骨微磨削尺寸效应下的最小切屑厚度数学模型;揭示了硬脆骨材料应力传递及裂纹扩展机理,基于断裂力学理论建立了延-脆转变临界未变形切屑厚度数学模型。(4)研究了生物骨材料延性域去除未变形切屑厚度阈值区间,搭建了单颗磨粒划擦实验平台,采用与人体骨力学性能最相近的新鲜牛股骨对硬脆骨材料延性域去除机理进行了实验研究;综合采用磨削力比、单位磨削力及比磨削能随单颗磨粒未变形切屑厚度的变化趋势,判定了硬脆骨材料微磨削行为,分析了生物骨材料最小切屑厚度及延-脆转变临界未变形切屑厚度模型精度;揭示了纳米粒子的抗磨减摩机制对生物骨材料延性域去除未变形切屑厚度阈值区间的影响规律。(5)揭示了微磨削区热量分配机制,基于纳米粒子射流对流传热机理,建立了热分配系数模型;分析了生物骨材料去除方式对微磨削区能量产生及消耗形式的影响机制,建立了骨延性域去除动态热流密度模型;在此基础上,建立了纳米粒子射流喷雾冷却生物骨微磨削温度场动态模型;采用有限差分方法分析了骨干磨削热损伤域。(6)研究了纳米粒子射流生物骨微磨削温度场,搭建了纳米粒子射流喷雾冷却生物骨微磨削实验平台,通过测量骨微磨削力及骨表面不同测量点的温度,分析了纳米粒子射流喷雾式生物骨微磨削温度场动态模型精度;研究了骨材料微磨削温度场动态特性,揭示了纳米粒子粒径及浓度对骨微磨削温度的影响规律。
【图文】：

1.2 骨材料结构及生物力学特性以人体中的长骨为例，如图1-1所示[14]，长骨形似长管，主要分布于人体的四肢。长骨结构分为一体两端，即骨体和骺。骨体又称作骨干，主要由骨膜、骨质和骨髓构成，其内部含有大量的神经组织及血管。两端较膨大的部分称为骨骺，呈窝状的骨松质；松质骨呈海绵状，弹性较大，结构疏松多孔，孔内含有骨髓，其结构呈多孔状，由周围的密质骨包围在骨的内环，并为骨骼提供所需的营养和水分[15,16]。骨的中部是密质骨，，主要存在于长骨干和其他类型骨的表面，由成层骨板密制排列而成，厚约3~6 mm

工 大 学 工 学 博 士 学 位过程中热损伤使周围组不可逆热损伤是骨微磨大量冷却液，易降低内微磨削过程中所引起的过高所导致的不可逆热损纹，引起的裂纹损伤（的本质及科学本源都可热的问题，在机械加工热损伤的抑制措施，避
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG580.6;TB383.1


本文编号：2622813