人工髋关节表面仿生设计及其摩擦润滑特性研究

发布时间：2017-06-13 04:05

  本文关键词：人工髋关节表面仿生设计及其摩擦润滑特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,研究者对如何提高人工髋关节摩擦学特性进行了大量的研究,表面织构的发展也对此起到了很大的促进作用。经过长期的进化,甲虫鞘翅具有独特非光滑结构,研究表明,其在减摩、润滑方面性能优异,因此逐渐开始应用于人工髋关节。本文利用超景深显微镜对鞘翅表面进行了观测,发现不同鞘翅表面具有不同的形态结构,主要包括刻点、多边形“鳞片状”结构、“眼状”凹坑以及分布广泛的微小凹坑结构,并从中提取了圆形凹坑结构和正六边形凸起结构作为研究对象。本文利用Matlab编程的方法,建立了平面对磨条件下流体动压润滑的理论模型,通过研究两种织构作用下油膜压力的分布情况,发现两种织构均能产生一定的油膜承载力,而圆形凹坑织构的摩擦系数小于正六边形凸起织构。本文通过微细制造加工技术,经过抛光、光刻、电铸工艺分别制作出具有圆形凹坑、正六边形凸起结构的转印模板,然后通过热压转印工艺,将织构形貌复制到超高分子量聚乙烯材料(UHMWPE)上。圆形凹坑织构的具体参数为:直径约为100μm,深度约为5μm,面积率10.4%;六边形表面织构的参数为:边长约为55μm,高度约为5μm,面积率为10.4%。本文分别对三种试样进行球面对磨形式的摩擦学试验,以多次实验的摩擦系数平均值作为判断依据,并结合理论研究结果,确定了圆形凹坑织构为最佳设计方案。本文建立了人工髋关节球面弹流润滑模型,利用多重网格法进行数值求解,分析了在无织构条件下的润滑膜压力的分布以及最小膜厚值,并通过经验公式对球窝模型下的最小油膜厚度进行了预测,经过与相关文献的研究结果进行对比验证了本文算法的正确性。
【关键词】：人工关节 鞘翅 表面织构 UHMWPE 摩擦学实验 数值求解
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.17;TH117
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 仿生学概论12-14
• 1.1.1 仿生学的基本概念及发展12
• 1.1.2 仿生学的主要研究内容12-13
• 1.1.3 仿生学的成功范例13-14
• 1.2 表面织构技术的现状14-16
• 1.2.1 表面织构技术的国内外研究14-15
• 1.2.2 表面织构技术的应用15-16
• 1.3 关节的研究现状16-22
• 1.3.1 天然关节17-18
• 1.3.2 人工关节18-22
• 1.3.2.1 关节材料19-20
• 1.3.2.2 人工关节的摩擦界面20-21
• 1.3.2.3 人工关节的表面改性处理21-22
• 1.4 研究目标与主要内容22-24
• 1.4.1 课题来源22
• 1.4.2 主要研究内容22-24
• 第二章 甲虫鞘翅表面微结构特点及其仿生设计24-28
• 2.1 确定研究对象24-25
• 2.2 鞘翅表面结构的观测与设计25-27
• 2.2.1 东方龙虱鞘翅表面形态观测25-26
• 2.2.2 鞘翅表面织构的性能分析26
• 2.2.3 表面织构的形态设计26-27
• 2.3 本章总结27-28
• 第三章 表面织构的流体动压润滑数学模型28-40
• 3.1 流体动压润滑理论28-31
• 3.1.1 雷诺方程的推导和建立28-30
• 3.1.2 织构的动压机理30-31
• 3.2 建立流体动压润滑模型31-33
• 3.3 模型的求解33-37
• 3.3.1 确定边界条件33
• 3.3.2 雷诺方程无量纲化33-34
• 3.3.3 数值求解34-37
• 3.4 结果分析37-39
• 3.5 本章总结39-40
• 第四章 表面织构的加工制备40-53
• 4.1 人工髋关节材料的选择40-41
• 4.1.1 上试样材料的选择40
• 4.1.2 下试样材料的选择40-41
• 4.2 光刻加工过程41-46
• 4.2.1 样品制备流程41
• 4.2.2 光刻胶与掩模版41-42
• 4.2.3 光刻前处理42-43
• 4.2.4 光刻43-46
• 4.3 电铸46-50
• 4.3.1 电铸原理46-47
• 4.3.2 电铸液成分对电铸质量的影响47
• 4.3.3 操作条件对电掦质量的影响47
• 4.3.4 电铸过程47-48
• 4.3.5 电铸高度的控制48-49
• 4.3.6 转印模板49-50
• 4.4 热压制样50-52
• 4.4.1 制样过程50-52
• 4.4.2 试样形貌观测52
• 4.5 本章总结52-53
• 第五章 UHMWPE摩擦学性能试验53-61
• 5.1 试验机系统简介53-55
• 5.1.1 试验设备53-54
• 5.1.2 试验夹具54-55
• 5.2 试件、试剂及试验条件55-57
• 5.2.1 试件55
• 5.2.2 试剂55-56
• 5.2.3 试验条件56-57
• 5.3 摩擦学试验内容57-60
• 5.3.1 无织构UHMWPE与不锈钢摩擦57-58
• 5.3.2 圆形织构UHMWPE与不锈钢摩擦58-59
• 5.3.3 正六边形织构UHMWPE与不锈钢摩擦59
• 5.3.4 实验结果分析59-60
• 5.4 本章总结60-61
• 第六章 人工关节弹流润滑的初步研究61-70
• 6.1 人工关节的弹流润滑模型61-62
• 6.2 多重网格法62-63
• 6.2.1 网格结构的划分62
• 6.2.2 方程的离散62
• 6.2.3 限制与延拓算子62-63
• 6.2.4 网格参数的上传和下传63
• 6.2.5 V循环迭代计算63
• 6.3 球面模型弹流润滑计算63-68
• 6.3.1 控制方程63-64
• 6.3.2 方程无量纲化64-65
• 6.3.3 方程的离散65
• 6.3.4 迭代计算65-66
• 6.3.5 计算流程66-68
• 6.4 结果分析68-69
• 6.5 本章总结69-70
• 第七章 总结和展望70-72
• 7.1 全文总结70-71
• 7.2 展望71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-78
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文78

【参考文献】

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