基于骨折病例的植骨材料力学性能研究
发布时间：2020-12-05 17:30
本文研究ZrO2/HA（二氧化锆/羟基磷灰石复合材料）、ZrO2/β-TCP（二氧化锆/β-磷酸三钙复合材料）骨替代材料的力学性能和n-HA/PA66（纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合材料）、ZrO2/HA、ZrO2/β-TCP三种骨替代材料在骨折股骨的运用上的力学特性分析,为骨折股骨治疗提供了力学参考。本文运用Mori-Tanaka方法研究ZrO2/HA和ZrO2/β-TCP复合材料的力学性能,分析ZrO2体积分数对基体材料的体积模量的影响。运用ANSYS的APDL参数化编程建立ZrO2/HA和ZrO2/β-TCP复合材料的代表体单元,研究分析不同ZrO2体积分数下的复合材料的变形、应力分布情况,研究ZrO2对HA和β-TCP基体材料的弹性模量和泊松比的影响。制定了3D光固化打印方案,以及烧结方案,分HA基体材料的粒径为纳米、微米,制备了两种ZrO...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物陶瓷人工骨图1-1为生物陶瓷人工骨，当前，我国的市场上已经出现了多种生物替代材料产
燕山大学工学硕士学位论文-12-（a）ZrO2体积分数5.0%（b）ZrO2体积分数7.5%（c）ZrO2体积分数10.0%（d）ZrO2体积分数15.0%图2-1不同ZrO2体积分数的随机填充模型如图3-1所示，（a）（b）（c）（d）分别为ZrO2体积分数为5.0%、7.5%、10%、15%的ZrO2颗粒模型，由于本文的模型数量较多，就不全部展示出来了，为了体现RVE模型的整体性，超出RVE边界的ZrO2颗粒的部分被模型分割之后填充到了模型的对立面上，让RVE模型更符合连续周期性，更能体现整体宏观性能。为了不使ZrO2颗粒出现过于团聚的现象，对由生成ZrO2颗粒时加入了限制条件，限制了两个ZrO2颗粒的球心的距离大于等于2.05R(R为ZrO2颗粒的半径)。2.3.2建立RVE模型的有限元处理数值仿真分析是假设ZrO2/HA和ZrO2/β-TCP复合材料在加载后模型不会发生脱粘和开裂的现象，所有材料均定义为线弹性材料，不考虑界面对复合材料的影响。生成模型后，需要建立基体与填充体之间的联系，在ANSYS软件中将所有的ZrO2颗粒和基体材料进行搭接处理，这样的处理便于接下来进行的有限元计算。模型的增强相和基体都是使用的SOLID187单元，SOLID187单元是一种三维十
第2章ZrO2颗粒增强复合材料的性能研究-13-节点的固体结构单元，符合模拟所需要的要求。网格划分对于计算结果有一定的影响，其中划分网格的质量好坏，对于计算结果影响很大，网格划分要在计算机计算性能之内，首先对ZrO2颗粒进行网格划分，再接着对基体材料进行网格划分，增强相和基体连接处的网格细化，在进行了多次的网格划分的计算结果比较之后，最终确定了一个计算结果和计算时间都较好的网格划分，由于本文划分网格模型较多，这里只展示部分网格划分，部分模型网格划分如图2-2所示。（a）ZrO2体积分数5.0%（b）ZrO2体积分数7.5%（c）ZrO2体积分数12.5%（d）ZrO2体积分数15.0%图2-2不同ZrO2体积分数的模型网格划分2.3.3RVE模型求解分析对于建立好的RVE模型，为了求解出模型的弹性模量和泊松比，给模型一样的边界条件，选择一个端面，对其施加一个法向约束，在对立的端面施加一个8‰的压缩应变，分20步进行数值模拟计算，认为模型都在弹性理想阶段，在静力学模块进行求解计算，经过有限元计算得出结果，选择每一步的计算结果，得出每一步的施加载荷的端面平均应力和端面节点平均应变，再利用胡克定律（E=σ/ε）计算出模型的
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米尺度表面粗糙度可影响羟基磷灰石陶瓷的生物学性能[J]. 刘丹,吴永豪,李向锋,朱向东,张兴栋. 中国组织工程研究. 2018(18)
[2]基于DLP技术光固化3D打印系统研究与实践[J]. 范哲超,丰洪微,陈磊,徐国庆,白蕊. 铸造技术. 2018(03)
[3]水基光固化陶瓷浆料的粘度与分散性研究[J]. 宁会峰,阎相忠,朱悦,王伟志. 硅酸盐通报. 2017(11)
[4]多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备及研究进展[J]. 张峻峰,蒋明慧,张顺锋,汪涛. 中国陶瓷. 2017(03)
[5]接骨板用材料的研究现状及发展前景[J]. 李晓,刘京,吴强,王艳杰,肖涛,刘立宏,于澍. 生物医学工程学杂志. 2016(06)
[6]骨替代材料的研究方法及进展[J]. 倪卓,杨莎,王应,刘士德. 深圳大学学报(理工版). 2015(04)
[7]HA/ZrO2复合涂层销盘磨损试验及仿真[J]. 吴蕾,鲍雨梅,张冬明. 轻工机械. 2013(02)
[8]侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应[J]. 王冬梅,董谢平,张琳琳. 医用生物力学. 2011(06)
[9]硬组织植入材料表/界面研究进展[J]. 刘宣勇. 无机材料学报. 2011(01)
[10]基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用[J]. 吕毅,吕国志,孙龙生. 机械强度. 2009(05)
博士论文
[1]复合材料细观力学模型及相关材料性能研究[D]. 潘静.燕山大学 2018
[2]计算骨力学若干问题研究[D]. 陈秉智.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]介孔硅酸钙掺杂硫酸钙骨水泥修复创伤骨缺损的实验研究[D]. 许晨辉.第二军医大学 2017
[2]锁定型钢板治疗股骨干骨折的生物力学研究[D]. 姚雨蒙.新疆大学 2015
[3](HA+β-TCP+MgO)/锌合金复合材料的组织和性能研究[D]. 范金龙.哈尔滨工程大学 2015
[4]羟基磷灰石材料用于骨缺损植入时应力分析的数值模拟研究[D]. 高勇丽.天津大学 2005
本文编号：2899823
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
生物陶瓷人工骨图1-1为生物陶瓷人工骨，当前，我国的市场上已经出现了多种生物替代材料产
燕山大学工学硕士学位论文-12-（a）ZrO2体积分数5.0%（b）ZrO2体积分数7.5%（c）ZrO2体积分数10.0%（d）ZrO2体积分数15.0%图2-1不同ZrO2体积分数的随机填充模型如图3-1所示，（a）（b）（c）（d）分别为ZrO2体积分数为5.0%、7.5%、10%、15%的ZrO2颗粒模型，由于本文的模型数量较多，就不全部展示出来了，为了体现RVE模型的整体性，超出RVE边界的ZrO2颗粒的部分被模型分割之后填充到了模型的对立面上，让RVE模型更符合连续周期性，更能体现整体宏观性能。为了不使ZrO2颗粒出现过于团聚的现象，对由生成ZrO2颗粒时加入了限制条件，限制了两个ZrO2颗粒的球心的距离大于等于2.05R(R为ZrO2颗粒的半径)。2.3.2建立RVE模型的有限元处理数值仿真分析是假设ZrO2/HA和ZrO2/β-TCP复合材料在加载后模型不会发生脱粘和开裂的现象，所有材料均定义为线弹性材料，不考虑界面对复合材料的影响。生成模型后，需要建立基体与填充体之间的联系，在ANSYS软件中将所有的ZrO2颗粒和基体材料进行搭接处理，这样的处理便于接下来进行的有限元计算。模型的增强相和基体都是使用的SOLID187单元，SOLID187单元是一种三维十
第2章ZrO2颗粒增强复合材料的性能研究-13-节点的固体结构单元，符合模拟所需要的要求。网格划分对于计算结果有一定的影响，其中划分网格的质量好坏，对于计算结果影响很大，网格划分要在计算机计算性能之内，首先对ZrO2颗粒进行网格划分，再接着对基体材料进行网格划分，增强相和基体连接处的网格细化，在进行了多次的网格划分的计算结果比较之后，最终确定了一个计算结果和计算时间都较好的网格划分，由于本文划分网格模型较多，这里只展示部分网格划分，部分模型网格划分如图2-2所示。（a）ZrO2体积分数5.0%（b）ZrO2体积分数7.5%（c）ZrO2体积分数12.5%（d）ZrO2体积分数15.0%图2-2不同ZrO2体积分数的模型网格划分2.3.3RVE模型求解分析对于建立好的RVE模型，为了求解出模型的弹性模量和泊松比，给模型一样的边界条件，选择一个端面，对其施加一个法向约束，在对立的端面施加一个8‰的压缩应变，分20步进行数值模拟计算，认为模型都在弹性理想阶段，在静力学模块进行求解计算，经过有限元计算得出结果，选择每一步的计算结果，得出每一步的施加载荷的端面平均应力和端面节点平均应变，再利用胡克定律（E=σ/ε）计算出模型的
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米尺度表面粗糙度可影响羟基磷灰石陶瓷的生物学性能[J]. 刘丹,吴永豪,李向锋,朱向东,张兴栋. 中国组织工程研究. 2018(18)
[2]基于DLP技术光固化3D打印系统研究与实践[J]. 范哲超,丰洪微,陈磊,徐国庆,白蕊. 铸造技术. 2018(03)
[3]水基光固化陶瓷浆料的粘度与分散性研究[J]. 宁会峰,阎相忠,朱悦,王伟志. 硅酸盐通报. 2017(11)
[4]多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备及研究进展[J]. 张峻峰,蒋明慧,张顺锋,汪涛. 中国陶瓷. 2017(03)
[5]接骨板用材料的研究现状及发展前景[J]. 李晓,刘京,吴强,王艳杰,肖涛,刘立宏,于澍. 生物医学工程学杂志. 2016(06)
[6]骨替代材料的研究方法及进展[J]. 倪卓,杨莎,王应,刘士德. 深圳大学学报(理工版). 2015(04)
[7]HA/ZrO2复合涂层销盘磨损试验及仿真[J]. 吴蕾,鲍雨梅,张冬明. 轻工机械. 2013(02)
[8]侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应[J]. 王冬梅,董谢平,张琳琳. 医用生物力学. 2011(06)
[9]硬组织植入材料表/界面研究进展[J]. 刘宣勇. 无机材料学报. 2011(01)
[10]基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用[J]. 吕毅,吕国志,孙龙生. 机械强度. 2009(05)
博士论文
[1]复合材料细观力学模型及相关材料性能研究[D]. 潘静.燕山大学 2018
[2]计算骨力学若干问题研究[D]. 陈秉智.大连理工大学 2002
硕士论文
[1]介孔硅酸钙掺杂硫酸钙骨水泥修复创伤骨缺损的实验研究[D]. 许晨辉.第二军医大学 2017
[2]锁定型钢板治疗股骨干骨折的生物力学研究[D]. 姚雨蒙.新疆大学 2015
[3](HA+β-TCP+MgO)/锌合金复合材料的组织和性能研究[D]. 范金龙.哈尔滨工程大学 2015
[4]羟基磷灰石材料用于骨缺损植入时应力分析的数值模拟研究[D]. 高勇丽.天津大学 2005
本文编号：2899823
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/mpalunwen/2899823.html
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