骨骼微切削过程的有限元仿真与实验研究

发布时间：2017-11-18 02:18

  本文关键词：骨骼微切削过程的有限元仿真与实验研究

  更多相关文章： 骨骼微切削 应变梯度塑性理论 本构方程 失效模式 有限元仿真

【摘要】：常见骨骼手术包括整形手术、骨伤手术和牙科手术,手术形式包括铣削、磨削和钻孔。骨骼手术对于表面质量、切削力和温度的控制都有较高的要求,合理选择切削用量、刀具参数和初始条件对手术质量和术后恢复有直接影响。利用仿真手段研究骨骼切削可兼顾研究成本和效率,目前建立在均质模型的宏观骨骼切削研究比较广泛,但是较少研究分析微切削骨骼结构特征、材料特性、失效模型进行,这也是有限元方法研究骨骼微切削的难点。本文基于骨骼的热力学特征和统计几何结构,建立了三种描述第一骨单位排布方式的骨骼结构模型,分别推导了骨骼模型的结构参数,对提出的三种排布方式进行正交切削模拟,将模拟切削力与实验结果对照从而选择合理的排布方式,并利用Python对ABAQUS前处理模块进行二次开发。基于非局部应变梯度塑性理论推导了应变梯度与流动应力的关系,修正了宏观切削的Johnson-Cook本构关系。基于圆弧第一变形区模型和布斯罗伊德温度预测模型,将第一变形区的有效应变、有效应变率和平均温度表征为切削用量、刀具几何形态和切削力的函数。设计正交窄槽微铣削实验,利用模型逆辨识技术对提出的微观切削本构方程进行非线性拟合。基于均质材料的失效模型,对各向异性材料的失效模式建模,计算了剪切-开裂模式向开裂模式转变的临界断裂能量释放率,得到开裂模式下失效破坏的判定条件。在分析切削过程中骨骼开裂行为的特点上,利用内聚力单元对粘合线建模,编译了单元破坏失效控制的VUMAT子程序。在ABAQUS平台上,基于该失效模型利用各向异性材料模型模拟了正交切削过程,研究了骨骼在横截面方向上的开裂行为以及第一骨单位方向对切削力的影响;利用各向同性模型模拟了钻削和正交切削过程,观察了第一变形区应力应变分布规律,研究了切削用量、刀具几何参数和初始条件对切削力和切削温度的影响,并基于仿真结果探究合理的手术条件。采用整体硬质合金钻头对牛股骨进行钻削实验,验证了有限元仿真中进给速度和主轴转速对切削力的变化规律,验证了有限元仿真中不同初始条件对切削温度的影响。考虑主轴转速、进给速度和钻头直径设计了骨骼微钻削实验,利用方差分析得到了各因素对切削力的影响规律。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687

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本文编号：1198208