（载运工具运用工程专业论文）基于不同表面纹理的UHMWPE磨损仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 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( u p e ) 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，u h m w p e 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u h m w p e 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a n s y s 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a n s y s 软件为平台，将a p d l 二次开 发语言与编程软件v i s u a lc + + 6 0 相结合，编制“基于不同表面纹理的u h m w p e 磨损仿真”系统软件，对u h m w p e 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。 关键词：表面纹理，磨损机理，数值模拟，接触分析、参数化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s 仕a c t c u r r c n t l yh o d i n gs u c c e s si l 淞b e e no b t a i n e da b o u tt h er e s e a r c ho f 廿l ea r t i f i c i a l j o i m ，t h ea r t i f i c i a lt e e t l l 髓dt l l eh e a r tv a l 、他e t c h o w e v e r ，v a r i o u sp r o b l e m ss e e mt o b em o r e 趾dm o r eo u t s t a n d i n gi nt h ec l i i l i c a l 印p l i c a t i o nf o rt 1 1 ew e a ro fm ep l a n t b o d y a i t h o u g hs o m es c h o l a r sh a v es t i l d i e dt h ew e 盯l a wo ft h ep l a n tb o d yb y e x p e r i m e n t si no r d e rt oo b t a i nm e m e t h o do fr e d u c i n gw e a r ，t l l e 咖d ya d v 锄c ev e r y s l o w l yb e c a u s eo ft h ec o m p l e x 埘o ft l l et r i b o l o g ys y s t e m t l l i sp a p e ri se n g a g e di n s n l d y i n gh o wt or e d u c e 、e 盯o f 吐l ea n i f i c i a lj o 破m a t c r i a lu h m w p el l 啪u 醣 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft 1 1 ef i n i t ee l 锄e n ta i l da d o p t i o no ft 1 1 em e t l l o do fe s t 曲l i s l l i n g m ea r t i f i c i a lt e x n 玎e so n 也em a 矧a ls u r f h c e t h i sp r o j e c tw a st ou t i l i z et h ef i n i t ee l e m e n tt oa n a l y z ew e a ro f t w od i m e n s i o n a l c o n c a v es u r f a c e s 1 飞ew e a rp r o p e r c ) ro ft h eg t a i l l l e s ss t e e la g a i n s tu h m w p e 、a s b e t t e rt 1 1 a i lt h a to ft i l es t a i n l e s ss t e e la g 洳s tm es 协i n l e s ss t e e lt h r o u 曲t l l es t r e s s a t l a i y s i so fs m o o t hs u r f 妇h lt h e c o l l r s eo ft v v od i m e n s i o n a lf - m i t ee i e m e n t s i m u l a t i o n st l l ee q u i v a l e n ts 仃e s so fn o n _ s r n o o ms u r f a c e 、v 鹊c o m p 甜e dn 1 1 o u 曲缸e e p 盯a m e t e r s ：d i 锄e t e r ，d e p m 趴dd i s 仃i b l m n gs p a c e t h er e s u l t so fm es t r e s sa n a l y s i s s h o wt h a tt h ee q u i v a l e n ts 仃e s so f m ec o n c a v co nt l 塘u h m w p es u r f a c ei sl a r g e rm a i l t h a to f 山ec o n c a v eo nt h es t a i j l l e s ss t e c ls l l r f h c ei nt h ec e r t a i ns c o p e s o m em e c h a n i c s c h a r a c t e r sw e r eg a i n e di nt h i ss t i l d yl l s i n gm es o r w a r ea n s y s i ti sv e r yu s e 矗1 1t o s t i l d ym e 、e 盯m e c h a n i s mo f n o n - s m o o ms u r f 缸e 孤dp r c d i c t 也em a t e r i a lw e a r w h a t i sm o r c ，t h eo u t c o m eo ft l l i sr c s e 鲫c hh 舶i m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u et oa p p l yo 也e r n o m s m o o 也s u r f k ea n dt h ea n t i w e 盯a b i l i 留o f m em a _ t e r i a l 0 nm eb 髂i so ft l l e o r e t i c 髓a l y s i s 孤dt e s td a t a ，as o f t 黼“n u m e r i c a ls i m m a t i o n o fu h m w p ew e a rp m p e 啊o nd i v e r s es f a c et e x t u r e ”i sd e v e l o p e di na n a s y s e n v i m m e n t 谢mt h em o d e lo fa p d la n dp r o g r a i ns o f h 盯ev i s u a lc + + 6 _ 0 t h e s o f h v a r ei su s e f u lf o rc a r r y i n go nt h ew h o i e 锄a l y s i so fu h m w p ew e a rs t a n 娼e 黯i l y 1 1 1 i ss y s t e mi sc o m p o s e do f 血t 湘m o d u l e s t e x t u r ed e s i g l ld a t aa r ei i 州t t e db yt 1 1 e u s e r sa c c o r d i n gt ot l l ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o nmo r d e rt 0c o 赶i 珊w e 盯m o d e l ，i n c l u d i n g m 砷：r i a lp a r 锄e t e r s ，s n u c t u r ep a r 锄e t c r sa n dl o a d t h ef 珊| t ee l e m e n tc a l c u i a t i n g m o d u l ec a nc 邺7o nc a l c u l a t i n gs t r e s sv a l u eo fc o n t a c tf i e l d sa u t o m a t i c a l l y 龃dc a n l l 武汉理工大学硕士学位论文 e x p o n 妇r 。s l l l td o 。啪e n t t h eg a f h 硝n gr c s m 招m o d u l ec a ns h o wa n dp r i n tt 1 1 e d i s 仃i b u t i n gc o n d i t i o no fc o n 协c ts 仃e s sl l s i n gt h es t y l eo fn e p h o g r 锄，a n dv 耐o u s m o d e ip a 黝e t e r sa n dm e 咖s f o 锄a t i o f la n i m 撕o n t 掰ss o f 籼甜ep r o v i 如san e w a i l a l y s i st o o lf o rt r i b o l o g i s t sa n de n g i n e e r s k e y w o r d s ：s u r f a c et e x t i l r e ；w e a rm e 捌s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： c o n t a c t i n gs 垃_ e s s 锄a l y s i s ；p a r 囤注l g c e r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪论 任何动物机体都离不开摩擦学问题。简单而言，人靠脚与地面摩擦才能行 走，同样身体内部摩擦学现象也无处不在，抬脚走路，髋关节、膝关节、踝关 节有摩擦：伸手做事，肩关节、肘关节、掌指关节内有摩擦。对于人工器官更 不例外，例如，人工关节的关节头和关节窝之间有摩擦；种植义齿上、下部结 构连续部位可能因摩擦磨耗而松动断裂；人工义肢、义眼、义齿等更是离不开 机械活动而发生摩擦。这些摩擦现象直接导致了磨损的产生。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。例如。超高分子量聚乙烯( u 咖w p e ) 在人体内长期服役存在磨损现象，其 磨损颗粒导致的溶骨反应、关节松脱和大量磨损产生的亚微米粒子对周围肌体 的不良反应，是造成人工关节破坏失效的最重要因素。人工心脏瓣膜的血液冲 蚀磨损及耐久性也是一个不容忽视的问题，据统计，每年因磨损等原因导致瓣 膜机械性能失效的概率在3 5 。此外，人体局部或整体运动经常会导致植入器 官的固定部位发生微动磨损并诱发松动，最终导致植入器官失效，重新进行手 术置换，加重病人痛苦。因此，磨损对人体植入器官的破坏性以及对人体的 伤害程度要远比想象中的大的多。由此可见，对人工器官的摩擦和磨损的任何 减小，都将是对痛体的最大帮助，也为个人、甚至国家节约了一笔不小的费用。 如果我们在开发各种人工器官之前，能预测或提前计算器官的摩擦磨损状况、 优化材料摩擦副性能、延长其服役时间等都将极大地推动国家生物医学材料制 造技术的进步。可喜的是，通过现代数学方法和计算机技术对摩擦磨损的仿真 研究已经展开，许多摩擦学方面的专家学者已开始从各种实验角度或针对具体 人工器官摩擦副，应用现代数学方法和计算机技术研究其磨损情况。 u h m w p e 作为人工关节的承重材料已有三十多年的应用历史 2 】，但由于 u h m i v p e 在应用下的磨损，特别是由于磨损碎片而产生的溶骨反应、关节脱松和 大量由磨损产生的亚微米粒子对周围肌体的不良反应。是造成替代关节破坏失 效的最重要因素【3 】，因此改善u h m w p e 的耐磨性能，探求磨损机理就成为研究的 武汉理工大学硕士学位论文 一个重要课题【4 4 j 。 本课题的研究目的，即是从现有实验数据所得出的结论出发，把数值模拟 方法( 主要是有限元法) 应用到人工关节替代材料u h m w p e 的磨损机理及其特性 分析上，研究在不同条件( 如材料、材料表面人工纹理结构、载荷等) 下，具 有不同人工纹理的u h m w p e 及其摩擦副的接触情况、应力分布、磨损趋势等，以 此在实验室条件下通过计算机仿真确定人工表面纹理对于u 哪p e 的摩擦磨损行 为的影响程度，并试图给出能减少人工关节磨损的较理想的人工纹理模型，为 以后深入研究人工关节磨损机理提供帮助。 如今数值计算理论和计算机技术已成熟，为我们研究并实现提供了可能。 在工程设计过程中，数值仿真方法可以进行各种方案和参数的筛选，甚至一些 无法用理论分析和试验方法解决的复杂问题也可以用数值计算的方法来完成， 并可大大缩短新技术的开发和生产周期。同时，经典磨损理论、摩擦学系统分 析理论和方法的发展也为磨损试验仿真研究奠定了理论基础；而大量的试验研 究的数据又可为仿真研究提供了数据来源和检验的手段。因此，通过人工关节 替代材料u h m w p e 的摩擦磨损研究是加快新材料开发，帮助更多患者减少病痛的 最好方法。 1 。2 国内外研究现状 作为一门新兴的边缘和交叉学科，生物摩擦学运用物理、化学、数学、材 料科学和工程等方面的知识来分析研究和解决生物医学问题，其目的在于研究 摩擦磨损机理和失效机制，以便采取相应对策和措施，延长其使用寿命【6 】。但由 于实际情况下的摩擦副配偶件处在多因素影响下工作，特别是复杂的人体环境 影响，使其在实验室条件下研究的定律或规则难以与临床结果相一致。因此， 人们试图利用现代数学方法和计算机技术对人体植入材料进行摩擦磨损数值仿 真研究。 1 2 1 国外的研究进展 在磨损仿真方面，为了定量地描述接触体的摩擦磨损特性和便于建立仿真 模型，国内外学者通过大量的实验研究，充分利用现有的磨损计算公式，如 a r c h a r d 磨损计算模型作出了令人瞩目的成绩。如m y s h k i n 掣刀学者在研究光滑 2 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦表面形貌测试技术和评价实体接触仿真方法基础上，就接触表面的摩擦机 理、微观粗糙度和微观形貌进行了模拟和分析，提出了新的a r c h a r d 模型改进 版。j i n 州和w a n g 等例分别提出了适用于超高分子聚乙烯( u h m w p e ) 的一个简单 正弦粗糙度模型和干摩擦条件下的弹塑性接触模型。s h e i k h 等 10 】采用有限元应 力分析技术，模拟了在静载荷和动载荷的情况下，人体走动时髋关节的应力峰 值和应力量。作者特别指出在临床测试以前，有限元模型可作为一个重要的测 试工具。尽管研究者提出了多种磨损模型，但由于人体环境十分特殊，以及存 在个体差异性，因此真正适用于u h m w p e 研究的磨损模型还未出现。因此建立磨 损仿真模型是研究者们未来一个重要的研究突破点。值得一提的是，有关生物 摩擦学研究的国际交流早已展开。如1 9 6 7 年英国机械工程师协会和假体协会联 合召开的首次天然和人工关节的润滑磨损专题会，就吸引了不少矫形外科 医生、工程师、物理学科技工作者等与会【l l 】。 工程上提高材料摩擦学性能的一个常用方法是在滑动表面进行表面纹理处 理。材料表面的纹理具有两个重要作用：一是限制磨粒的运动，这有助于减少 材料表面的犁沟和变形。二是作为润滑荆的“蓄水池”，在两接触面之间提供润 滑剂1 1 2 - b 】。如p e t t e r s s o n 【1 4 】在硅晶体表面刻画出不同的表面纹理，研究其在润 滑和干摩擦条件下的摩擦学性能发现，涂有t i n 涂层且具有表面纹理的硅晶体 对钢的磨损比无表面纹理的多。润滑条件下，有无表面纹理摩擦系数都减小， 但具有表面纹理的材料发生低摩擦的时间比无表面纹理的要短。由于生物医用 材料同样存在磨损，因此有学者也将相同的研究思路应用于生物材料的摩擦学 研究上。如f i s h e r 【l 副研究了金属与超高分子聚乙烯对摩时，表面如有刮痕对材 料磨损的影响。h i r o s h i 等【1 6 】在金属关节头的表面采用电火花蚀刻技术人工设计 了若干小凹坑，在人工关节模拟试验机试验后发现，如果在关节头表面制作恰 当的人工纹理，可提高人工关节摩擦表面的润滑性能，减小u h m w p e 的磨损。 m a n a b u 等m 1 实验发现具有人工纹理的材料表面具有较低的摩擦系数，材料表面 的摩擦学性能主要取决于人工纹理的尺寸，密度，与形状关系不大。n i s h i 眦r a 掣”1 在u h m w p e 和不锈钢的试样表面设计人工纹理实验发现，特定的人工纹理可 改善材料的耐磨性，提高材料的使用寿命。 1 2 2 国内的研究进展 由于磨损产生的u h m w p e 碎片粒予会造成肌体的不良反应，因此改善u h m w p e 的耐磨性能，了解磨损机理就成为研究的一个重要课题。w a n g 【1 明总结了u 嗍w p e 3 武汉理工大学硕士学位论文 在人工关节方面的三个主要的摩擦磨损机理：磨粒磨损机理、粘着磨损机理、表 面疲劳磨损机理。 任露泉等1 2 叫采用激光处理技术加工了几种具有非光滑特征的圆形4 5 号钢 试件，以正交试验方法设计耐磨性试验方案，在国产洲2 0 0 型摩擦磨损试验机 上研究具有不同非光滑表面特征的试件耐磨性规律。试验结果表明，在相同试 验条件下，时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响，耐磨性按照凹 坑、凸包、波纹、鳞片形态递减。王再宙掣2 1 】采用试验优化技术中的均匀设计 方法进行了影响凸包非光滑表面耐磨性的多因素复杂试验。通过统计分析得出 了激光处理仿生非光滑凸包表面耐磨的多因素回归方程。试验证明，速度、负荷、 时间和凸包圆周方向的距离对耐磨性有显著影响，凸包轴向的距离对耐磨性影 响不大。邓宝清等瞄】根据仿生学原理，利用铝合金活塞和铸铁汽缸套的材料设 计了普通结构和几种仿生结构的摩擦副，并在摩擦磨损试验机上进行了对比试 验。结果表明，在干摩擦时，非光滑结构与普通结构的摩擦副的摩擦性能差异不 大。在沾油润滑条件下，仿生非光滑结构的摩擦副的抗黏着磨损性能明显优于普 通结构。其原因是在有润滑条件时，仿生非光滑结构具有较强的贮存润滑油及形 成油膜的能力。 戴鸿琴等【2 3 】研制的具有十二道试样腔的人工关节材料摩擦磨损筛选机是我 国第一台人工关节材料的模拟机。该机是根据人体关节和人工关节材料的特性， 参照美国材料和试验学会有关标准进行设计的，使用了计算机实时控制和处理， 具有一定的先进性，可靠性和通用性。关节假体材料的摩擦磨损实验室极其耗 时的，有的长达2 3 年。而此试验机采用多试样的方法，把试验时间大大缩减 到半年，有助于人工关节研究的开展。郭治天等【2 4 】以超高分子量聚乙烯软骨材 料为销样，3 1 6 不锈钢硬骨材料为盘样，在自制的销一盘式磨损试验机上考察了 不锈钢盘样表面粗糙度对超高分子量聚乙烯摩擦磨损性能的影响，并利用光学 显微镜观察了摩擦副表面的形貌。结果表明，在干摩擦条件下，表面粗糙度对 超高分子量聚乙烯的摩擦磨损有较大影响，存在着合适的表面粗糙度范围，使 超高分子量聚乙烯摩擦系数、磨损率最小。 1 2 3 目前存在的问题 纵观研究者们在人工关节替代材料u h 唧p e 摩擦磨损研究方面所做的工作， 取得不少成绩的同时也存在一定的问题。虽然超高分子量聚乙烯在现有塑料中 耐磨性最好，但对于要求苛刻的人工关节来说还不够理想，据资料介绍，超高 4 武汉理工大学硕士学位论文 分子量聚乙烯和金属股骨头在人体内生物润滑状态下磨损量仍较大，平均 o 1 5 咖a 。这个磨损量对于较年轻的患者来说明显不能满足寿命要求( 一般患 者要求1 5 年以上，年轻者至少2 0 年以上) 【2 5 】。因此研究超高分子量聚乙烯的摩 擦磨损行为，对超高分子量聚乙烯髋臼进行有限元计算分析( 应力、变形等) 尤 为重要。目前学者们分别从材料改性，人工关节结构设计等方面提高其耐磨性。 但这些手段效果有限，需要另辟蹊径寻找新手段减少u h 删p e 的磨损。考虑到人 体环境的复杂性和受力的非规则型等因素影响，目前为止还没有学者提出各种 人体器官磨损的预测模型。虽然有学者采用a r c h a r d 滑动磨损模型来进行简单 的预测比较，但误差较大。目前国外对生物材料磨损试验的研究处于发展阶段， 一些模拟试验机相继被设计出来，但没有一个实验系统能作为标准被广泛采纳。 各种实验条件如润滑液、温度、载荷等的选取没有统一的标准，因而实验结果 的可比性差。而国内在此方面虽有进展但发展缓慢。同时国内外学者在纹理表 面数学模型的描述与计算机动态模拟；由定性研究到定量研究，探索纹理表面 的耐磨机制以及表面形态参数对耐磨效果的影响规律等研究方向上深入不够。 1 3 课题来源及背景 究”。 论文的研究来源于预研课题“基于不同表面纹理的u w p e 磨损仿真研 1 4 本文的主要研究内容 本课题以理论分析为基础，考察人工关节替代材料u h m w p e 和金属摩擦副对 磨时材料表面纹理对于磨损的影响，分析材料接触面的应力分布、接触变形情 况，并采用有限元方法将不同条件下的模拟数据进行比较分析，实现表面纹理 作为主要影响因素下u h m w p e 接触应力和磨损量与其它结构参数、力学参数之间 的关系模拟。具体的研究内容如下： ( 1 ) 以u h h l w p e 的基本磨损机理为基础，着重分析基于表面纹理的u 删w p e 的磨损形式。并提出在某些情况下人工纹理对于减少u h m w p e 的磨损起着积极作 用，但在某些特殊情况下，它也会起到消极作用。因此，为减少材料磨损而为 某种特定情况设计人工纹理时，必须考虑纹理形状、深度、分布密度等参数， 并进行相应的模拟分析。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过对分析接触问题时所要用到的基础知识作简要介绍，完成本课题 的相关参数化分析过程，编制相应的a p d l 代码。 ( 3 ) 利用a n s y s 进行光滑和凹坑形非光滑表面磨损过程的二维有限元模 拟，考虑凹坑直径、深度和间距的变化，分析其接触受力过程中非光滑表面的 力学性能，进行两种表面模拟结果的对比分析，寻找非光滑表面形态影响材料 表面耐磨性的规律。 ( 4 ) 利用编程软件s u a ic + + 6 0 和有限元分析软件a n s y s ，编制了“基 于不同表面纹理的u h m l i y p e 磨损仿真”系统软件，使对a n s y s 软件不熟悉的用 户也能够很方便的使用该软件对u h 姗p e 磨损状态进行整体分析，减少设计人员 的重复性劳动，提高其工作效率。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章人工关节材料u h m w p e 摩擦磨损研究 由于u h m p e 的磨损细小颗粒会造成骨溶解出现假体松动，但是和其他材料 相比，它具有更好的耐磨能力、生物相容性好、自润滑性好和摩擦系数小等优 点，因此u h m w p e 仍然是世界医学界首选的人工关节髋臼材料，所以许多学者都 在寻求提高超高分子量聚乙烯耐磨性的方法以保证人工关节的质量，延长其寿 命。总之，研究人工关节置换材料的摩擦磨损行为、了解其摩擦磨损机理、提 高材料的耐磨损能力对提高置换关节的临床寿命，减少患者的痛苦具有重要的 意义。 2 1u h m w p e 材料特性简介 人工关节置换术中最突出的质量问题是关节松动，而人工关节松动的主要 原因之一是“骨溶解现象”，它是由于金属和超高分子量聚乙烯的磨损微粒激发 了巨噬细胞吞噬颗粒的作用，造成了骨溶解出现关节松动现象。因此研制出耐 磨性好的生物材料或者采取某些措施减少人工关节的磨损以及提高人工关节约 加工质量和精度等，是提高人工关节质量的关键所在。近2 0 3 0 年来，人工关 节的置换病例数量不断增加。但是，用于制作假体材料并无很大的进展。股骨 假体部分仍以钛合金、钴铬钼合金为主( 近几年又出现陶瓷股骨头) ；髋臼( 或髋 臼内衬) 主要用超高分子量聚乙烯制作；骨水泥主要是聚甲基丙烯酸甲脂材料。 早些年前，曾有不少学者曾试用聚四氟乙烯、尼龙6 、尼龙1 0 l o 、聚甲醛等材 料用于制作髋臼，但通过实验室试验和临床观察比较，多数认为超高分子量聚 乙烯是现有材料中最理想的髋臼材料。 超高分子量聚乙烯一般是指相对分子质量在1 5 0 万以上的聚乙烯，日本、 德国生产的超高分子量聚乙烯相对分子质量早已高达6 0 0 万以上，目前德国现 已高达1 0 0 0 万。超高分子量聚乙烯是一种新型工程塑料，虽然他的分子结构排 列与普通聚乙烯完全相同，但由于它具有非常高的相对分子质量( 普通聚乙烯的 相对分子质量仅为2 万一3 0 万) ，则赋予它许多普通聚乙烯所没有的优异性能是 一种性能非常优异的新型工程塑料。它具有以下优点：耐磨损性能非常卓越， 砂浆磨损试验表明，比一般碳钢和钢等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4 倍： 冲击强度极高，比p a 6 和p p 大1 0 倍；能吸收震动冲击和防噪声；摩擦系 7 武汉理工大学硕士学位论文 数很低，远较尼龙及其他塑料为小，能自润滑：不易粘附异物，滑动对有极 优良的抗粘着特性：耐化学腐蚀，并可屏蔽原子辐射；工作温度范围可自 2 6 5 到+ l o o ，低温到一1 9 5 时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂； 无毒性、无污染、可再循环回收利用、和其他塑料相比有良好的热稳定性和 不吸水性，能保持尺寸不变形：成本低廉。因此在工程塑料中超高分子量聚 乙烯是综合性能最佳的工程塑料，它在国外被称为“惊异的塑料”。但它也有不 足之处，如耐温性能差、硬度低、拉伸强度低以及阻燃性能差等 2 5 】。 2 2u h m w p e 磨损机理 由于磨损产生的u 咖w p e 碎片粒子会造成肌体的不良反应，因此改善u h 州p e 的耐磨性能，了解磨损机理就成为研究的一个重要课题。u h m w p 在人工关节方面 的摩擦磨损机理主要由三个方面构成：磨粒磨损机理：粘着磨损机理：表 面疲劳磨损机理。 2 2 1u h m 胛e 的磨粒磨损 粗糙的硬质表面或接触界面内外来的硬质颗粒切削聚合物材料而引起聚合 物磨损的现象称为聚合物的磨粒磨损。聚合物的磨粒磨损主要受硬质材料的表 面性质( 如微凸体的曲率半径、斜率、高度分布等) 、聚合物自身的机械性能( 断 裂功和韧性) 及环境因素( 可改变聚合物的机械性能) 的影响。对偶面越粗糙。聚 合物的断裂功越小，则聚合物的磨损率越大。磨粒磨损般造成u h m w p 从表面深 处的撕裂、划伤、微切削及微犁沟等，并最终导致u h m w p 材料表面裂纹的产生和 断裂。对u h m w p e 一金属摩擦副而言，当金属表面比较粗糙时( r a o 0 5 “m ) u h m w p e 材料的磨损机理主要是磨粒磨损。 2 2 2u h m w p e 的粘着磨损 粘着磨损是在u h m w p e 材料表面与对磨面间真实接触区域内，在界面上紧靠 聚合物u | 玎删p e 材料的一侧发生u h 删p e 材料微凸体断裂，小片u 丑胛p e 从本体材 料上撕裂下来，粘附在对磨面上，形成转移膜和依附膜，或形成自由磨屑。因此， u h 姗p e 与对偶材料间的界面结合强度和u h m w p e 自身的剪切强度决定了材料的转 8 武汉理工大学硕士学位论文 移特性及其粘着磨损特性。一般来说，对于聚合物材料来说不论是聚合物材料在 较硬的金属上滑动，还是金属在聚合物上滑动，较软的聚合物表面都容易发生损 伤，也就是较软材料向较硬的材料转移。这是因为聚合物材料的剪切强度与金属 相差达百倍以上，剪切自然发生在高分子聚合物这一侧。这个过程重复多次以后 则会在金属表面上形成聚合物薄层，即转移膜。聚合物本体则逐渐被磨损。在转 移膜形成之后，两表面间的摩擦是在聚合物材料转移膜和聚合物本体之间进行 的。g o n g 等人提出了聚合物粘着磨损的物理模型，该模型很好地解释了转移膜的 形成和脱落过程。根据这一模型，转移膜在摩擦过程中的脱落可能发生在转移膜 层间，也可能发生在转移膜与对偶的接触界面处，决定转移膜脱落方式的主要原 因在于聚合物与对偶表面间的相互作用及填料的摩擦学作用等因素。所以粘着 磨损是u h m w p e 的主要方式。特别是当对偶金属表面比较光滑时( r a 1 0 e 8 时，预示着模 型中的材料性质、实常数或几何模型可能存在问题；当比值过高时，求解可能 武汉理工大学硕士学位论文 中途退出。 求解命令如下：s o l v e 3 3 7 结果后处理 所谓后处理通俗地讲就是观察和分析有限元的计算结果。这在有限元分析 中占有极其重要的地位，因为对结果的评价决定了之前有限元分析是否正确， 也决定了初始的载荷条件对分析结果的影响的大小，从而对项目的可行性等可 以做出客观的评价【3 2 1 。 a n s y s 有两个后处理器：通用后处理器( 即“p o s t l ”) 、时间历程后 处理器( 即“p 0 s t 2 6 ”) 。本课题只需使用p o s t l 即可。 用p o s t l 进行结果处理可得到：变形图、变形动画、列表支反力、应力等 值线及应力等值线动画等。 显示变形：p l d i s p 彩色云图显示：p l n s o l 生成动画： a n d s c l a n s y s 输出文件的类型有多种，如果想将图形文件以g r p h 格式输出，则a p d l 代码如下【4 5 ： s h o w j p e g ，q u a l ，7 5 ， j p e g ，o r 工e n t ，h o r 工z j p e g ，c o l o r ，2 j p e g ，t m o d ，l g f i l e 。6 0 0 ， 3 4 参数化u h m w p e 接触分析设计 根据以上有关内容的研究，结合本课题编写相关a p d l 源代码 p r e p 7 1 进入前处理器 十s e t ，h ，0 11 定义结构参数 s 盯，l ，o 5 丰s e t ，m ，1 2 武汉理工大学硕士学位论文 e t 1 p l a n e 8 2 m p t e m p ， m p t e m p 1 ，o m p d a t a ，e x ，l ，c m p d a t a 。p r x y ，1 ，d m p t e m p ， m p t e m p 1 ，0 m p d a t a ，e x ，2 ，e m p d a t a ，p r x y ，2 ，g 定义一种单元类型1 为p l a n e 8 2 定义材料1 的弹性模量 定义材料l 的泊松比 定义材料2 的弹性模量 定义材料2 的泊松比 b l c 4 ，o ，0 ，2 9 ，2 51 建立模型1 ，形成纹理 b l c 4 ，2 5 ，a 1 ，l ，h 木d o ，i ，1 ，1 4 b l c 4 ，2 5 + i 水b 1 ，a 1 ，l ，h 年e n d d 0 a s e l ，s l ，1 6 ， b l c 4 ，2 5 十3 术b 1 一m 2 ，2 5 ，9 术b 1 ，3 l e s i ze ，2 ，3 0 ，。l l e s i z e ，3 ，4 ，1 木d o ，i ，1 ，4 7 a m e s h 2 + i 水e n d d o l e s i z e ，6 5 ，1 0 ，l l e s i z e ，6 7 ，1 0 ，l a m e s h 5 0 建立模型2 模型1 中划分网格 模型2 中划分网格 武汉理工大学硕士学位论文 c o m ，c o n t a c tp a i rc r e a t i o n s t a r t ! 刽：成接自女对 m p ，m u ，1 ，0 1 5 m a t 1 m p ，e m i s ，1 ，7 8 8 8 6 0 9 0 5 2 2 1 e 0 3 1 r 3 r e a l 3 e t ，2 ，1 6 9 e t ，3 ，1 7 2 r ，3 0 5 ，o 1 ，0 ， d o ，i ，1 ，1 8 1 施加表面压力 s f l ，1 8 2 + i ，p r e s ，f 冰e n d d o s f l ，6 7 ，p r e s ，f d l ，l ，a l l 牛d o ，i ，1 ，3 0 d l ，1 1 6 + i ，a l l 水e n d d o s o l n s u b s t ，2 5 ，1 0 0 ，1 0 s t a t u s ，s o l u s o l v e f i n i s h p o s t l p l d i s p 0 a p l o t e p l o t p l n s o l ，u ，s u m ，o ，1 p l n s o l ，s ，x ，0 ，1 p l n s o l 。s ，y ，o ，l 施加约束 设置时间子步，求解 后处理 显示变形图 显示模型 显示有限元模型 显示节点位移 显示x 方向应力 显示y 方向应力 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 本章小结 图3 1u h m i v p e 接触分析模型 本章系统的阐述了接触问题的概念、理论、分析方法和常用工具，以及参 数化语言a p d l 的有关功能。并以实际的a p d l 命令流详细介绍了本课题的参 数化建模、分析过程，得到了具体的有限元结果。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于表面纹理的磨损过程数值模拟 4 1 光滑试件磨损二维有限元分析 4 1 1u h 删p e 对不锈钢的磨损 利用a n s y s 有限元程序进行磨损过程有限元分析时，在通用前处理器模块 ( p r e p 7 ) 中，先定义材料属性，然后采用实体建模方法建立接触模型的几何实 体。最后施加边界条件和载荷，完成磨损模型。 利用前处理器模块中的自动网格划分器( m e s h t 0 0 1 ) 对整个磨损模型进行 单元网格划分。上、下表面均采用四节点二维结构实体单元p l a n e l 8 2 。接触类 型选择面一面接触模式，这种接触模式没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光 滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续，因此特别适用 于本文研究的非光滑表面纹理结构。上表面是柔性体，为接触面，采用二维接 触单元c 叫t a l 7 2 ，下表面是刚性体，为目标面，采用二维目标单元t a r g e l 6 9 。 有限元模型建好后，进入求解处理器，定义分析类型和分析选项、施加载荷和 输出控制，进行有限元求解。最后进入的后处理器中进行结果后处理。 为了进行结果的对比，二维有限元模型均采用如上所述的一致的单元类型 和接触模式，并且采用如下的几何尺寸和材料特性，列举如下； 1 材料特性 上表面的材料为u 咖w p e l “。 材料的弹性模量为：e x = 7 0 0 10 6p a 材制的泊松比为：y = 0 4 6 下表面的材利为各向同性弹性材料不锈钢【”。 材料的弹性模量为：e x = 1 9 6 1 0 9p a 材料的泊松比为：v = 0 3 材料之间的摩擦系数为：m u = 0 1 5 h 2 几何参数 小矩形的几何参数如下： 长度l 1 ；1 5 3 m m 长度 l 1 ；1 5 3 m m 高度h 1 ；3 高度 h 1 ；3 m m 武汉理工大学硕士学位论文 大矩形的几何参数如下： 长度l 2 = 2 9 m m高度h 2 = 2 5 m m 3 其他参数 加载载荷p = 1 2 1 0 6p a 4 1 1 1 建立有限元模型 本模型简化为两个矩形块之间的磨损过程。首先使用实体模型建立两个矩 形面。在对有限元模型划分网格时，上下平面使用四节点二维结构实体单元 p l a n e l 8 2 ，描述上下表面之间的相互作用采用二维面一面接触单元t a r g e l 6 9 和c 0 n t a l 7 2 。为了形成比较规则的网格，减少单元数和计算时间，在上下表面 使用四边形网格，并且对每条线的单元长度进行设置。建好的有限元模型见图 4 】。 图4 1 光滑平面u h m w p e 对不锈钢有限元模型 4 1 1 2 有限元分析 在边界条件设置上采用下部分矩形全约束，上面矩形上施加1 2 1 0 6p a 向 下的压力。 接触磨损是一个非线性问题，其求解过程一般通过迭代计算，存在求解的 收敛和计算效率问题。在本课题模拟计算中，本文选用方程组求解器为波前求 解器( f r o n ts 0 1 v e r ) ，其误差控制设为1 e 一6 ；求解过程的迭代选用程序自动 选取的n e w t o n r a p h o n 平衡迭代选项( n r o p t ，a u t 0 ) ，必要时它将自动激活自 适应下降因子以帮助收敛，打开非线性大变形效应( l a r g ed e f o r m a t i o n 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 e f f e c t s ) 、预报器( p r e d i t o r ) 和自动时间( a u t os t e p ) 等选项；并将子步数设为 2 0 ，最大子步数设为1 0 0 ，最小时间步设为l o 。 4 。1 1 。3 计算结果分析 a n s y s 有限元程序为结果分析提供了强有力的后处理功能，可以用图形方 式显示和列表方式查询节点和单元的分析结果，也可以用动画显示或图示整个 过程的某个结果随时间的变化情况。 本文利用a n s y s 的通用后处理嚣对接触磨损过程的等效应力、节点接触压 力和节点接触摩擦应力进行了图示，图4 2 、4 3 、4 4 分别表示以上应力状态。 通过图4 2 可以看出，等效应力成对称分布，越接近中心部分且越接近接 触面的地方，等效应力越大。云图应力大部分集中在8 4 5 1 7 6 1 2 7 1 旷p a 。在 接触的左、右两端存在应力集中现象，最大应力值达1 9 1 矿p a 。 图4 2 光滑平面u h 姗p e 对不锈钢等效应力云图 在摩擦副的接触运动过程中，部件之间的节点接触压力是表征摩擦行为的 个重要的指标。图4 3 中表示的为节点接触压力。从图中可以看出，在接触 面的中间部分，接触压力的值是比较稳定的，而且是与中心对称的。也就是说 此接触压力是比较规则的，从中间到两边，接触压力逐渐变大，从1 0 9 1 0 6p a 逐渐变大到两端的2 1 0 6p a 。同时也可知道，应力集中的地方其节点接触压力 也是最大的。 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3 光滑平面u h 姗p e 对不锈钢节点接触压力云图 节点接触摩擦力也是一个表征摩擦的重要指标。图4 4 中表示的为节点接 触摩擦力。由图4 4 分析可知，在磨损过程中节点接触摩擦力是比较规则的， 从中间往两端逐渐变大，且左右两边摩擦力方向正好相反。但最左端的节点接 触摩擦力仍大于最右端的接触摩擦力。其最大值分别为：最左端2 9 9 8 0 3p a 最 右端一2 9 9 3 6 4p a 。 图4 4 光滑平面u 咖w p e 对不锈钢节点接触摩擦力云图 3 1 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2 不锈钢对不锈钢的磨损 此种情况下可根据u 删p e 对不锈钢的分析方式处理问题，但须注意的是材 料属性设置应将两种材料的弹性模量和泊松比都设置为与不锈钢对应的值，并 且材料间的摩擦系数重设为o 3 。因为此时是钢对钢的磨损，而非聚合物对钢的 磨损。 利用a n s y s 有限元程序对模型进行重新计算得出相应的应力云图。 通过图4 5 可以看出，等效应力成对称分布，越接近中心部分且越接近接 触面的地方，等效应力越大。云图应力大部分集中在8 6 6 3 8 4 1 3 1 0 6p a 。在 接触的左、右两端存在应力集中现象，最大应力值达1 9 5 1 酽p a 。 图4 5 光滑平面不锈钢对不锈钢等效应力云图 图4 6 中表示的为节点接触压力。从图中可以看出，在接触面的中间部分， 接触压力的值是比较稳定的，而且是与中心对称的。也就是说此接触压力是比 较规则的，从中间到两边，接触压力逐渐变大，从1 0 8 1 5 4p a 逐渐变大到两端 的2 0 7 3 6 1p a 。同时也可知道，应力集中的地方其节点接触压力也是最大的。