基于混合润滑理论人工髋关节润滑特性研究

发布时间：2017-09-14 02:36

  本文关键词：基于混合润滑理论人工髋关节润滑特性研究

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【摘要】：与天然髋关节结构相比,人工髋关节结构润滑效果较差,在人体的日常运动过程中会产生较大的摩擦磨损,最终导致人工髋关节松动失效。从生物摩擦学角度出发,掌握人工髋关节系统润滑机理,了解各影响因素对人工髋关节润滑性能的作用,是帮助设计具有优良润滑效果、长寿命人工髋关节的重要理论依据。基于此,本文从理论上对人工髋关节系统进行润滑数值分析：基于混合润滑理论,建立了人工髋关节混合润滑数学模型,利用统一的Reynolds方程,耦合了髋关节几何结构、接触面表面形貌及弹性变形、润滑介质的粘压和密压效应等因素对润滑性能的影响。采用有限差分法结合数值迭代确定了该模型的数值求解流程,通过数值求解得到人工髋关节润滑压力和膜厚分布,分析了人工髋关节的混合润滑行为。考察了接触面表面形貌、结构参数、工况参数、髋关节类型及滑液粘度等因素对人工髋关节混合润滑性能的影响。针对人体髋关节运动特点,掌握髋关节所受外载荷及旋转角速度的变化规律,在混合润滑数学模型基础上,进一步考虑髋关节在步态周期过程中的时效性,建立人工髋关节瞬态混合润滑数学模型。通过数值迭代得到人工髋关节瞬态混合润滑完全数值解。并以金属-金属、金属-聚乙烯臼、陶瓷-聚乙烯臼和陶瓷-陶瓷四种类型人工髋关节为对象,结合滑膜比厚,对人工髋关节步态周期过程中的润滑状态进行比较分析。
【关键词】：人工髋关节 混合润滑 瞬态 有限差分法
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.17
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 生物摩擦学概述9-10
• 1.3 人工髋关节简介10-16
• 1.3.1 髋关节结构10-11
• 1.3.2 人工髋关节的发展11-12
• 1.3.3 人工髋关节假体材料12-14
• 1.3.4 人工髋关节润滑系统研究现状14-16
• 1.4 混合润滑理论研究现状16-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 第二章 人工髋关节混合润滑数学模型19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 几何模型19-21
• 2.3 控制方程21-25
• 2.3.1 雷诺方程21-22
• 2.3.2 膜厚方程22-23
• 2.3.3 粘压方程23-24
• 2.3.4 密压方程24
• 2.3.5 弹性变形方程24
• 2.3.6 粗糙度方程24-25
• 2.3.7 载荷平衡方程25
• 2.3.8 边界条件25
• 2.4 数值求解方法25-33
• 2.4.1 控制方程无量纲化25-26
• 2.4.2 雷诺方程离散化26-28
• 2.4.3 载荷方程离散28
• 2.4.4 弹性变形计算28-31
• 2.4.5 数值求解流程31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 人工髋关节混合润滑分析34-45
• 3.1 基本参数34
• 3.2 结果分析与讨论34-37
• 3.3 表面形貌对人工髋关节润滑性能影响37-39
• 3.3.1 粗糙度幅值对人工髋关节润滑性能影响38
• 3.3.2 粗糙度波长对人工髋关节润滑性能影响38-39
• 3.4 结构参数对人工髋关节润滑性能影响39-42
• 3.4.1 股骨直径对人工髋关节润滑性能影响39-41
• 3.4.2 径向间隙对人工髋关节润滑性能影响41-42
• 3.5 工况参数对人工髋关节润滑性能影响42-43
• 3.5.1 载荷对人工髋关节润滑性能影响42
• 3.5.2 速度对人工髋关节润滑性能影响42-43
• 3.6 滑液粘度对人工髋关节润滑性能影响43-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第四章 人工髋关节瞬态混合润滑数值分析45-55
• 4.1 人工髋关节运动模型45-46
• 4.2 控制方程46-48
• 4.2.1 Reynolds方程46-47
• 4.2.2 膜厚方程47
• 4.2.3 弹性变形方程47
• 4.2.4 载荷方程47
• 4.2.5 边界条件47-48
• 4.2.6 基本方程无量纲化48
• 4.3 控制方程离散48-50
• 4.4 结果与分析50-52
• 4.5 不同类型人工髋关节润滑性能分析52-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 结论55-57
• 参考文献57-62
• 致谢62-63
• 攻读学位期间发表论文情况63

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本文编号：847365