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    CC复合材料人工股骨的应力分析

    2018-08-23   来源:   点击数:29次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港注意到:随着年龄的增长,人体骨骼的再生和愈合愈发困难。因此医学界十分重视人工股骨(特别是髋关节)的研究,如果一旦成功,对科学和生物医学工程都具有重要的意义。)有许多独到的性能优势,高温低速变形时,晶界滑移使晶界活化,与烧结态组织相比,热变形试样受腐蚀时,晶界变得更显化、更粗大(,3),说明晶界发生过一定的位移,而晶界滑移相对较弱的大颗粒内晶界则几乎没有被腐蚀出来。在高温下,晶界滑移对晶内变形的协调使得晶粒变形较小,没有被明显拉长,方向性弱,晶界弯曲,位错运动相对减弱。晶界发生滑移的几个晶粒仍依稀保持着原来大颗粒的形状,所以说晶界滑移有一种破碎大颗粒的作用,大颗粒破碎后显示出的晶粒很细小,颗粒界消失,这无疑会提高材料的强度和塑性。
     
      晶界滑移形成孔隙3.3高温变形对复合材料室温性能的影响从表2可见,烧结材料经ec=50%的热压变形后,硬度由73HRB上升至76HRB;抗拉强度显著提高,达552MPa;密度也进一步增大,达理论密度的99.3%;密度的提高增大了导电的有效截面积,电导率升高,达91.4%IACS(IACS:国际退火铜标准一Cu+Ag>99.9%,退火后,2°C时的电阻率为1.724lMficm,电导率为100%IACS),为理论电导率的941% 3结论Cu-A123复合材料高温变形时,流变应力有一突降随后稳定的现象。弥散Al23粒子显著提高复合材料的再结晶温度,动态回复是高温变形时的主要软化机制,高温变形机制是位错滑移和晶界滑移相协调。晶界滑移参与高温变形并对复合材料的显微组织与性能产生显著的影响。包括良好的生物相容性、稳定的物理和化学性能、可机械加工性、不释放可溶化合物和具有高静态和疲劳强度,是一种具有良好应用前景的关节置换用材料所示,根据骨密质的弹性模量数据得出三种工况下的冯氏应力为:工况1:1.54.4E+7Pa;工况2:1.2E+72.2E+8Pa;工况3:5.7E+71.7E+8Pa.应力最大值基本分布在股骨颈、转子窝、转子间脊部位,同时小转子附近也存在一个应力较大值,骨干部位应力分布均匀并且数值较小,股骨下端的膨大约束处有相比骨干稍大的应力值。除应力集中区外,其它部位的应力值基本上与骨所承受的应力值相近,工况1在2.股骨颈是股骨头与骨干的交界部分。它比周围其它的部分要细,而且股骨头与骨干轴存在一定角度,故存在应力最大值;转子窝为沟槽状结构,转子间脊为岭脊状结构,建立模型时在此处单元方向变化剧烈,存在应力集中,因此出现最大值;小转子下部出现较大值是因为存在应力集中,同时在取点方面也存在问题。而股骨下端膨大约束处出现较大的值是约束处较接而出现的应力集中,可以忽略不计。
     
      总而言之,状态图上应力最大值出现在股骨颈及其以下部位是与实际情况相符合的。
     
      将其与成年人新鲜的股骨(骨密质)的数据相比较:可以发现所建立的股骨模型基本正确地描述了股骨的应力状态,同时说明股骨的结构是经过优化的,在股骨上端由骨松质组成的实心结构,并且弹性模量比较小,使最大值减少并将应力向骨干部分转移。当施加平行于股骨方向的载荷(200N)时,最大应力值与极限数值相比要小的多,但当平行于Y轴施加600N的载荷时应力值已接近屈服强度,与Z轴呈30°施加力(200N)时,最大值分布在屈服强度左右。
     
      中国钢管信息港注意到:新鲜股骨(骨密质)的力学性能取样方向弹性模量MPa屈服强度MPa极限强度M屈服应变纵向士横向士同时,由动态的初步计算说明股骨承受纵向载荷的能力远大于横向,在承受较大的冲击时,冲击力转变为与股骨呈一定角度时股骨颈附近就会超过极限强度而发生断裂。事实上,即使人体股骨进行了结构优化,并同时存在肌肉、肌腱等组织的保护,但当受到较大的冲击时,Y方向的力较大,也会发生骨破损,股骨大多数意外损坏都发生在股骨颈附近,这也说明了股骨颈处出现最大值是符合逻辑的。
     
      结论与建议采用计算机模拟有限元素对人体股骨进行应力分析,较准确地绘出了第四强度理论条件下有限元计算结果的应力状态图。由应力状态图的冯氏应力分布,可以确定人工骨的基本结构与性能要求。本文对C/C人工股骨的三维编织工艺初步方案提出以下建议:人工股骨骨干部分可以米用较为稀疏的编织工艺;(2)C/C复合材料的编织角度应保证人工骨的整体弹性模量和与实际股骨相当,以充分显示C/C复合材料的性能优势,减少甚至去除应力遮掩现象。
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