基于水平集的人工膝关节磨粒流加工流场分析与实验研究

发布时间：2020-08-01 22:29

【摘要】：人工关节是一种植入人体代替人骨使关节保持原有功能的人造器官,常用的材料为钛合金。为了克服钛合金表面难以抛光这一问题,本文采用软性磨粒流加工方法对其进行加工,具体研究内容如下:(1)在对磨粒流加工流场进行数值模拟时,结合水平集方法、雷诺时均方程、标准k-ε补充方程共同构建流场数学模型,然后利用Hamilton-Jacobi ENO格式与Runge-Kutta格式对水平集方程进行离散求解。构建单颗粒运动方程,运用欧拉-拉格朗日法对固-液两相进行耦合,提出一种湍流分散模型模拟磨粒流中磨粒的运动轨迹。(2)根据所建立的数学模型,借助COMSOL软件对磨粒流加工过程进行数值模拟,对磨粒流加工流场的速度分布与压力分布进行分析,构建无量纲相对除去率模型,模拟人工膝关节表面的材料去除效果。从颗粒运动的角度验证了湍流分散方法的有效性,结合湍动能分布分析颗粒运动轨迹。仿真结果证实了实验加工的可行性。(3)搭建实验平台进行加工实验,从微观角度分析磨粒流加工效果,发现加工后人工膝关节表面粗糙度Ra从394nm降低到了171nm。研究结果表明:水平集方法、湍流分散方法、雷诺时均方程、标准k-ε方程共同构建流场数学模型是可行的,据此得出的流场仿真结果证实了实验加工的可行性,实验得出软性磨粒流对人工膝关节表面具有良好的加工效果。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;TG66;R318.17
【图文】：

的来源文结合以下项目展开设计研究工作：钛合金人工关节曲面局部覆盖约束式磨粒流湍流精密加工新方法（ 编号：51575493）人工关节湍流加工中的复杂曲面缝隙切削机理与调控方法（浙江省：LY15E050020）的背景与意义关节是一种植入人体代替人骨使关节保持原有功能的人造器官。对于疗的骨关节疾病比如关节过度磨损导致的关节疼痛等，从某种程度而是一种效果很好的治疗方法。在现代，人工关节置换手术已经是一种常来说，手术后病人能像正常人一样行动，比如出去旅游、购物、等，长期受关节病痛折磨的人能因此重获新生。

从而严重威胁人体的生命健康安全。目前，人工关节最常用的金属材料为钛合金。钛合金材料不仅生物相容性较好，耐腐蚀，而且密度低，弹性模量与骨骼接近，机械强度高，是理想的人工关节材料。人工关节的形状可以通过铸造、锻造和热等静压等方法得到，然而钛合金人工关节假体成型后并不能直接植入人体，还需要经过打磨、抛光等一系列后续工艺处理。人工关节表面质量决定了表面摩擦性质，粗糙度越大，表面微凸体发生接触几率增大，导致粘着磨损增大[2]。相关研究[3-6]表明，人工关节的磨损颗粒不仅会威胁人体健康，还会刺激人体内的巨噬细胞和成纤维细胞，这些细胞会释放出造成骨溶解的因子，使人工关节出现无菌性松动，不得不重新更换关节假体。这种无菌性松动与关节表面磨损脱落的颗粒的各种理化性质有关，比如颗粒形貌、颗粒类型、颗粒数量等。还有一些研究报告指出，在钛合金人工关节表面与骨骼摩擦磨损等过程中，人工关节表面会释放出很多有毒的金属离子对身体内各个器官造成一定程度的伤害。因此人们对人工关节表面抛光质量具有较高的要求。

(a)正常组织结构 (b)烧伤组织结构图 1-3 钛合金磨削烧伤组织结构对比[9]针对这种表面质量需求比较高但构造却比较复杂的零部件，人们提出了很多加工方法：比如射流抛光技术[10]、磨料流加工[11]、磁流变加工[12]等。这些加工有优缺点：比如射流抛光技术是用混有细小磨粒的高速流体冲击工件表面，其中射的压力、角度、喷射时间等因素直接影响待加工表面的加工纹理，这种加工流比较复杂，加工参数不易确定；磨料流抛光加工与射流抛光加工有些相似，但其流动载体多为粘度较大的流体，加工过程封闭，磨屑不易排出，容易对零件表面伤；磁流变加工主要适宜加工一些凸形零件的表面，很难加工凹形曲面和零件的内同时目前磁流变抛光技术的加工范围比较局限，只适用于一些口径较小、并且陡的工件中。

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本文编号：2778097