基于不同表面纹理的UHMWPE磨损仿真研究

摘要

目前，医学领域在人工关节、种植义齿和心脏瓣膜等方面的研究已经取得很大成功，然而，种植体在人体内由于摩擦磨损导致的各种问题在临床应用过程中却显得越来越突出。虽然已经有学者通过实验手段来研究此种磨损规律，以获得减小磨损的方法，但是由于摩擦学系统的复杂性，研究很难深入下去。本文通过有限元模拟仿真，采用在材料表面设置人工纹理的方法研究减小人工关节替代材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)磨损的技术。 本文采用数值计算和有限元法，编制相应的命令流文件，对凹坑形表面磨损过程进行二维有限元模拟。通过光滑表面受力分析对比发现，UHMWPE对不锈钢表面的磨损性能较不锈钢对不锈钢表面好。同时在二维有限元模拟过程中，详细地对比不同间距、直径、深度时非光滑表面的等效应力，通过分析结果发现，在一定尺寸范围内，凹坑在UHMWPE表面的等效应力要大于凹坑在不锈钢表面的等效应力。本文利用ANSYS有限元软件获得的结果对于研究非光滑表面磨损机理和进行磨损预报有一定的借鉴意义，而且为其他非光滑形态的研究及其对材料表面的耐磨性影响提供了重要的参考价值。 在理论分析和试验数据的基础上，以ANSYS软件为平台，将APDL二次开发语言与编程软件VisualC++6.0相结合，编制“基于不同表面纹理的UHMWPE磨损仿真”系统软件，对UHMWPE磨损状态进行整体分析。该系统由三个模块组成。其中，纹理模型设计模块由用户根据实际情况输入相应的材料属性参数、结构参数和载荷力，确定磨损分析模型；有限元计算模型自动进行接触应力计算并可输出计算执行结果文件；结果汇总模块可实时显示、输出接触面的应力分布云图、各种模型参数和模型变形动画。该软件为研究人员和工程技术人员提供了一种新的磨损分析工具。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

第2章人工关节材料UHMWPE摩擦磨损研究

第3章基于表面纹理的UHMWPE接触分析的参数化设计

第4章基于表面纹理的磨损过程数值模拟

第5章“基于不同表面纹理的UHMWPE磨损仿真”系统的开发

第6章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目