基于正交各向异性分析的皮质骨钻削的仿真与实验研究

摘要

骨钻削手术经常被应用于整形外科和创伤科等手术治疗中。在骨钻削过程中由于钻削刀具和人体组织的剧烈摩擦，皮质骨的温度会不断上升、力逐渐增大，当温度高于一定值时，将引起骨细胞的热坏死。在以往许多运用有限元法研究骨钻削的过程中，皮质骨的材料属性通常被设置为各向同性，而实际情况下，皮质骨为各向异性材料。为此，通过对皮质骨材料属性的研究，能更好的分析皮质骨钻削过程中钻削参数对钻削温度和轴向力的影响，为指导骨钻削手术和病人的术后康复提供一定的理论指导。
　　因此在本文的研究中，首先运用有限元仿真软件ABAQUS模拟皮质骨的钻削过程，其中将皮质骨的材料属性分别设置为各向同性和正交各向异性，比较了皮质骨材料属性分别为各向同性和正交各向异性时仿真结果的不同。然后进行钻削实验，对仿真结果和实验结果进行对比、分析。最后研究钻削参数对钻削温度及轴向力的影响，并得出钻削温度和轴向力关于钻削参数的预报模型。主要研究过程如下：
　　1、建立骨钻削仿真模型。选取合理的钻削参数，在ABAQUS中分别建立材料属性为各向同性和正交各向异性时的皮质骨钻削有限元仿真模型，分析材料属性的不同对皮质骨的应力、钻削温度及轴向力的影响规律。
　　2、进行骨钻削实验。选取标准医疗麻花钻和新鲜的猪股骨进行钻削实验，对实验结果进行分析，同时对材料属性设置为正交各向异性时的有限元仿真值和实验值进行对比分析。结果表明：材料属性设置为各向异性时的有限元模型能够较好的模拟骨钻削过程。
　　3、构建钻削皮质骨过程中温度和轴向力预报模型。基于材料属性为正交各向异性的有限元模型，探究钻削用量（钻头直径、进给速度、转速）的不同对钻削温度和轴向力的影响，然后通过响应面法得出钻削温度、轴向力关于钻削参数的预报模型。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.3 研究的技术路线及主要内容

第二章 骨的各向异性基本理论

2.1 骨结构及皮质骨介绍

2.2 各项同性和正交各向异性简介

2.3 本章小结

第三章 基于ABAQUS的皮质骨钻削过程仿真

3.1 有限元分析方法及ABAQUS软件介绍

3.2 皮质骨钻削仿真过程的建立

3.3 各项同性与各向异性仿真结果与分析

3.4 本章小结

第四章 皮质骨钻削的实验研究

4.1 钻削实验条件

4.2 钻削温度的结果与分析

4.3 轴向力的结果与分析

4.4 实验结果与仿真结果对比和分析

4.5 本章小结

第五章 基于响应面法的钻削温度和轴向力回归模型的建立

5.1 响应面法的基本概念

5.2 仿真试验点设计

5.3 基于响应面法的钻削温度仿真结果与分析

5.4 基于响应面法的轴向力仿真结果与分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 存在的问题及展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢