骨骼微切削過(guò)程的有限元仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、常見(jiàn)骨骼手術(shù)包括整形手術(shù)、骨傷手術(shù)和牙科手術(shù)，手術(shù)形式包括銑削、磨削和鉆孔。骨骼手術(shù)對(duì)于表面質(zhì)量、切削力和溫度的控制都有較高的要求，合理選擇切削用量、刀具參數(shù)和初始條件對(duì)手術(shù)質(zhì)量和術(shù)后恢復(fù)有直接影響。利用仿真手段研究骨骼切削可兼顧研究成本和效率，目前建立在均質(zhì)模型的宏觀骨骼切削研究比較廣泛，但是較少研究分析微切削骨骼結(jié)構(gòu)特征、材料特性、失效模型進(jìn)行，這也是有限元方法研究骨骼微切削的難點(diǎn)。
　　本文基于骨骼的熱力學(xué)特征和統(tǒng)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)

2、，建立了三種描述第一骨單位排布方式的骨骼結(jié)構(gòu)模型，分別推導(dǎo)了骨骼模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)提出的三種排布方式進(jìn)行正交切削模擬，將模擬切削力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照從而選擇合理的排布方式，并利用Python對(duì)ABAQUS前處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
　　基于非局部應(yīng)變梯度塑性理論推導(dǎo)了應(yīng)變梯度與流動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系，修正了宏觀切削的Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系?；趫A弧第一變形區(qū)模型和布斯羅伊德溫度預(yù)測(cè)模型，將第一變形區(qū)的有效應(yīng)變、有效應(yīng)變率和平均溫度表征

3、為切削用量、刀具幾何形態(tài)和切削力的函數(shù)。設(shè)計(jì)正交窄槽微銑削實(shí)驗(yàn)，利用模型逆辨識(shí)技術(shù)對(duì)提出的微觀切削本構(gòu)方程進(jìn)行非線性擬合。
　　基于均質(zhì)材料的失效模型，對(duì)各向異性材料的失效模式建模，計(jì)算了剪切-開(kāi)裂模式向開(kāi)裂模式轉(zhuǎn)變的臨界斷裂能量釋放率，得到開(kāi)裂模式下失效破壞的判定條件。在分析切削過(guò)程中骨骼開(kāi)裂行為的特點(diǎn)上，利用內(nèi)聚力單元對(duì)粘合線建模，編譯了單元破壞失效控制的VUMAT子程序。
　　在ABAQUS平臺(tái)上，基于該失效模型利用各

4、向異性材料模型模擬了正交切削過(guò)程，研究了骨骼在橫截面方向上的開(kāi)裂行為以及第一骨單位方向?qū)η邢髁Φ挠绊?；利用各向同性模型模擬了鉆削和正交切削過(guò)程，觀察了第一變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，研究了切削用量、刀具幾何參數(shù)和初始條件對(duì)切削力和切削溫度的影響，并基于仿真結(jié)果探究合理的手術(shù)條件。
　　采用整體硬質(zhì)合金鉆頭對(duì)牛股骨進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元仿真中進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的變化規(guī)律，驗(yàn)證了有限元仿真中不同初始條件對(duì)切削溫度的影響。考慮主