微织构刀具骨切削过程的仿真和试验研究

摘要

骨切削手术广泛应用于整形外科、牙齿和神经外科手术中，在骨切削过程中，过高的温度可以导致骨神经坏死以及影响骨再生能力；切削中过高的应力可能导致软骨和神经损伤。在骨切削中，刀具与皮质骨不断的摩擦，摩擦是影响切削温度的重要因素之一，而仿生摩擦学的相关研究表明，摩擦表面如果具有良好的微织构，能够有效的减少摩擦阻力同时提高摩擦表面的耐磨性能。着眼于微织构的减摩功能，本文对微织构刀具在骨切削过程中第三变形区的温度和应力进行分析。
　　本文运用有限元仿真软件ABAQUS6.11进行模拟皮质骨的切削过程，进而将仿生摩擦学与骨切削相互结合，进行微织构刀具骨切削有限元仿真分析，为了研究微织构刀具在外科骨切削手术中的减摩效果，以切削过程中第三变形区的平均应力与温度为研究对象。研究过程如下：
　　1.进行凹槽微织构设计，通过激光设备将微织构加工在销试样工作表面，然后进行摩擦磨损销盘试验，得出各组实验的摩擦系数，总结摩擦系数与微织构几何尺寸（间距、宽度）的关系，通过研究分析：微织构销试样相对于普通销试样具有明显的减摩效果，并且摩擦系数随着微织构宽度的增大而减小，随着微织构间距的增大而增大。
　　2.分析皮质骨切削特性，确立模型材料、参数、边界条件、网格分配等相关参数，建立ABAQUS有限元骨切削仿真模型，分别创建普通刀具模型和微织构刀具模型，然后进行骨切削仿真，通过两组骨切削仿真实验：使用微织构刀具进行骨切削比使用普通刀具第三变形区的平均温度和平均应力低。
　　3.改变微织构形貌，分别建立圆形截面、方形截面和三角形截面微织构刀具，沟槽几何尺寸（宽度，间距、深度）相同，三种刀具分别进行骨切削仿真，仿真实验表明：三角形截面微织构刀具的切削温度与应力结果比圆形截面和方形截面的微织构刀具低。
　　4.通过单因素对比探究微织构几何参数变化对第三变形区应力的影响。实验范围为：织构间距0.07-0.19mm，深度0.01-0.05mm，宽度0.02-0.06mm，在此实验范围内当织构深度0.03mm，间距为0.16mm，宽度0.04mm时，第三变形区应力最小。
　　5.根据刀具的微织构间距、宽度、深度安排中心复合实验，分别建立微织构刀具进行骨切削仿真，得出第三变形区的平均应力，切削温度的仿真结果，然后将微织构几何参数及相应结果导入Design-expert进行数据优化，得出微织构间距、深度、宽度与切削温度之间的关系：第三变形区的温度随着微织构间距的增大而增大，随着微织构宽度的增大而减小，随着微织构深度的增大而增大，但是深度在0.01-0.05mm范围内的变化对第三变形区温度的变化影响极小。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2国内外研究现状分析

1.3 课题研究流程

1.4 本章小结

第二章 微织构表面设计及制备

2.1 仿生摩擦学

2.2 微织构选择分析

2.3 微织构加工

2.4 本章小结

第三章 销盘摩擦磨损实验

3.1摩擦磨损机理

3.2 销盘磨损实验

3.3本章小结

第四章 皮质骨切削有限元建模与仿真

4.1 ABAQUS有限元分析法的理论与简介

4.2 皮质骨切削有限元模拟的关键技术

4.3 皮质骨切削模型的创建过程

4.4 仿真结果

4.5 本章小结

第五章 微织构几何参数与第三变形区温度预报模型

5.1 Design expert软件介绍

5.2 微织构几何参数-第三变形区温度的数学模型

5.3 预测模型及方差分析

5.4 微织构减摩降温的理论分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢