医用镁合金骨板微动行为研究
发布时间：2017-08-21 01:38
本文关键词：医用镁合金骨板微动行为研究
【摘要】：接骨板内固定术是治疗骨创伤最有效的方法之一,在临床上得到了广泛的应用,并为患者减轻了病痛。骨板骨钉是内固定术的关键构件。镁合金骨板不但可以腐蚀降解,而且比重与骨骼很相近,负重感轻,游离的镁离子有利于骨骼愈合,对人体无害,应力遮挡效应小,不用二次手术,具有良好的生物相容性和力学相容性等。这些特点使镁合金成为传统骨板替代材料的最佳首选。以骨板临床应用现有的问题结合镁合金的特点开展医用镁合金骨板微动行为研究。骨板系统中存在很多摩擦副,这些摩擦副无论是对骨膜血运系统的影响还是对骨板表层材料的破坏都是不容忽视的。采用ABAQUS软件,对骨板系统的球/板接触副进行接触分析,其结果与赫兹理论计算很相近。因此,以有限元仿真技术分析微动行为具有合理性;另外,球板接触表面的应力突变也为微动循环下的镁合金材料剥离机理分析提供了依据。骨板植入人体后,为防止骨板发生因用力过大导致变形或断裂等事故,一般会对病变肢体进行强制止动,但又要防止出现关节粘结、骨骼坏死或骨质疏松等病症,不得不进行适度的康复训练。通过模态分析发现,提高预紧力,增加骨钉数量,可以有效地提高骨板抗外界干扰的能力和振动特性参数;在振动等外界干扰的情况下,远离预紧骨钉孔的区域,易发生微动摩擦。在骨板设计时,要注意改进优化。镁合金与钛合金、不锈钢相比是有很多优点,但镁合金的力学性能还是相对较差。本文通过微动疲劳分析探究了镁合金骨板在大平面弯曲、侧弯曲及扭转变形等方面的疲劳寿命、安全因数、最大应力值及疲劳累积损伤量等参数。通过经验和最大应力值的分析对比,可以判定大平面弯曲最容易发生。为了便于存储药物,改善应力状态,提高骨板的疲劳寿命,在骨板内表面设计多种密度的表面织构。通过对织构骨板进行微动疲劳分析,发现稀疏织构骨板是性能最佳的一种。镁合金材质的硬度不及钛合金和不锈钢,在镁合金前期防护方面,也需要微弧氧化。在微动情况下,探究骨板表面的破坏程度和损伤机理。本文设计了多动度切向微动摩擦试验并兼顾载荷因素;为增加对比性,也设计了含表面织构的大动度试验。采用超景深显微镜和扫描电镜对磨痕形貌进行观察,采用Origin软件对数据进行处理。通过分析对比,发现了动度、载荷和运行方式对损伤的规律,也得知表面织构的设计有利于降低摩擦系数,并在此基础上优化了表面织构的结构和密度。根据磨痕形貌的表征,结合其他材料的微动磨损机理,建立了镁合金WE43切向微动磨损机理。采用有限元仿真技术,从应力分布变化的角度加以解释损伤机理,并阐释了表面织构的设计对改善表面摩擦的机理。通过试验数据,构建了单次循环的F-D特性曲线,分析了摩擦力、动度和频率的三者关系,建立了F-D-N微动循环三维特性数学模型。
【关键词】：镁合金 骨板 微动疲劳 微动磨损 表面织构
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687;R318.08
【目录】：
- 摘要8-10
- Abstract10-12
- 第一章 绪论12-24
- 1.1 接骨板内固定术与医用镁合金简介12-15
- 1.1.1 接骨板内固定术应用12-13
- 1.1.2 镁合金新型骨科材料13-15
- 1.2 骨板发展与微动行为概述15-19
- 1.2.1 骨板发展15
- 1.2.2 微动行为概述15-19
- 1.3 医用镁合金骨板及其微动行为国内外发展现状19-20
- 1.4 主要研究内容20-21
- 1.5 选题意义21-22
- 1.6 技术路线22-24
- 第二章 接触理论与骨板系统接触有限元分析24-36
- 2.1 接触理论24-27
- 2.1.1 赫兹接触理论24-26
- 2.1.2 球板接触计算26-27
- 2.2 球板接触有限元分析27-32
- 2.2.1 接触应力有限元分析28-29
- 2.2.2 有限元分析后处理29-31
- 2.2.3 理论解和有限元解分析对比31-32
- 2.3 骨板系统接触剖析32-35
- 2.4 本章小结35-36
- 第三章 骨板系统关键构件有限元分析36-66
- 3.1 骨板系统关键构件设计36-38
- 3.1.1 骨板骨钉设计36-37
- 3.1.2 表面织构设计37-38
- 3.2 关键构件的模态分析38-45
- 3.2.1 骨板的模态分析39-43
- 3.2.2 骨钉的模态分析43-44
- 3.2.3 模态分析小结44-45
- 3.3 关键构件微动疲劳分析45-64
- 3.3.1 弯曲微动疲劳参数设置47-48
- 3.3.2 无织构骨板弯曲微动疲劳分析48-55
- 3.3.3 多织构骨板弯曲微动疲劳分析55-58
- 3.3.4 骨板扭转微动疲劳分析58-63
- 3.3.5 微动疲劳分析小结63-64
- 3.4 本章小结64-66
- 第四章 医用镁合金微动行为试验研究66-84
- 4.1 基于切向微动的镁合金材料响应研究66-75
- 4.1.1 试验材料选择与试样制备67
- 4.1.2 试验装置简介与试验方法67-70
- 4.1.3 试样微观分析与数据处理70-75
- 4.1.4 试验结果讨论75
- 4.2 基于大动度摩擦的材料响应研究75-83
- 4.2.1 试样制备76
- 4.2.2 试验装置简介与试验方法76-78
- 4.2.3 试样微观分析与数据处理78-82
- 4.2.4 试验结果讨论82-83
- 4.3 本章小节83-84
- 第五章 微动损伤机理及微动数学模型84-96
- 5.1 引言84
- 5.2 基于切向微动的损伤机理84-90
- 5.2.1 微动损伤机理发展84
- 5.2.2 切向微动损伤试样表征84-85
- 5.2.3 接触及微滑有限元分析85-89
- 5.2.4 切向微动的损伤机理89-90
- 5.3 基于切向微动的数学模型90-94
- 5.3.1 切向微动图90-91
- 5.3.2 切向微动三维特性曲线数学模型91-94
- 5.4 本章小节94-96
- 第六章 结论与展望96-98
- 6.1 结论96-97
- 6.2 展望97-98
- 参考文献98-104
- 致谢104-106
- 附录106-107
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 沈月;何国球;田丹丹;刘晓山;吕世泉;;在菱形路径下接触应力对35CrMoA微动疲劳特性的影响[J];金属功能材料;2015年05期
2 罗军;蔡振兵;莫继良;彭金方;朱e，
本文编号：710119
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