人工髋关节微织构表面动压摩擦学性能研究

人工髋关节微织构表面动压摩擦学性能研究

随着中国关节骨病发病率的增加，人工关节置换术的临床应用日益普遍。但相比于天然关节，由于一些主要结构的缺失，使得人工关节在减摩润滑性能上与天然关节存在一定差距大量的研究发现，适当的表面织构可以有效地改善摩擦表面间的摩擦性能MURAKAMI等人工关节表面的微纺织结构cfd模型的建立1.1微织构流域单元人工髋关节摩擦副表面间润滑油膜厚度为微米级，髋关节球头表面曲率半径远大于膜厚，故在此忽略摩擦副表面曲率的影响，将人工髋关节摩擦副表面简化成平面进行研究。简化后的微织构表面，如图1所示。将微织构单元所在区域上下摩擦副之间的流体区域定义为流域，取其中一个微织构流域单元作为研究对象，如图2所示。利用三维建模软件建立微织构流域单元的几何模型，微织构流域单元的长为=此外定义织构面积密度=π=1.2全膜润滑方式建立人工关节摩擦副间润滑控制方程前做以下假设：(1)人工关节摩擦副间被润滑液均匀分隔开，即处于全膜润滑状态；(2)润滑液为不可压缩牛顿流体，采用层流方式；(3)忽略流体的惯性力，忽略摩擦副间隙油膜两端压力差；(4)摩擦副表面绝对光滑，流体与壁面接触无相对滑动。得到简化后的Reynoleds方程(4)式中：1.3为纺织结构流域的单元膜厚方程取织构上表面为坐标平面，如图2所示，则摩擦副之间润滑液膜厚方程为式中：(6)1.4网格划分及计算利用ICEMCFD进行前处理，首先将各边界单独建立为Part,在ANSYSFluent中对相应的块设置边界条件，如图3所示。将垂直于速度之后利用ICEMCFD进行网格划分，采用有限体积法将计算流体域控制单元离散成为六面体结构性网格，网格将计算区域分割成35000个足够小的计算区域，然后在每一个计算区域内应用流体控制方程求解，从而获得计算区域内的物理量分布。为保证计算的准确性，在计算前需检查网格质量。采用不可压缩牛顿流体作为连续相介质。压力-速度耦合格式设为SMIPLE;压力项选用PRESTO!离散，动量项采用二阶迎风格式离散，以保证求解过程的精确和稳定。1.5球形凹坑微织构单元压力分布特点当摩擦副上表面以一定速度相对运动，由于润滑液黏性作用导致微织构表面间液体被带动，在摩擦副间形成楔形间隙，产生流体动压效应，同时由于润滑液黏性导致润滑液中剪切效应的产生。图4(a)、(b)所示分别为面积密度为15%、微织构深度为10μm、速度为0.25m/s条件下，球形凹坑微织构流域单元的压力分布和剪应力分布。图4(a)所示为球形凹坑微织构单元压力分布云图。沿速度方向从左到右，在凹坑织构区域内，左端流入处由于上下表面间距增大形成发散楔导致压力下降产生负压，右端流出处由于上下表面间距减小形成收敛楔导致压力上升产生正压，正压最高值大于负压最低值。由于织构凹坑两侧正负压力差的存在使得流体流经织构摩擦副表面时形成动压效应，这对增加油膜平均承载力与减小摩擦因数从而改善摩擦副之间的摩擦性能起到积极作用1.6cfd模拟实验验证为验证仿真模拟结果的可靠性，将膜厚(7)式中：式中速度梯度等于速度cfd体验实验设计和数据处理2.1微纺结构群落单元cfd的模拟实验设计对单个微织构控制单元进行数值模拟计算，在此设置凹坑织构直径润滑液黏度2.2fluen约束利用ANSYSFluent分别对各微织构单元在不同速度条件下进行求解，利用Fluent自带后处理功能在织构控制单元内将压力=∫=∫=将摩擦因数=以平均承载力结果与讨论3.1不同速度下载力最低的影响为讨论深径比不同速度下微织构深径比与平均承载力的关系，如图5所示。在深径比由0.06升高至0.12的过程中，各速度条件下的平均承载力均呈现出先下降后上升之后再下降的趋势。在所设速度范围内深径比为0.06的微织构表面平均承载力最高，深径比为0.12时的平均承载力最低。图6所示为不同速度下摩擦因数与深径比的关系。可知，在同一深径比条件下织构表面摩擦因数随速度增加而降低。然而在相同速度下，在所设计的深径比范围内，摩擦因数随深径比增加呈现出先上升后下降再上升的波动趋势，其中深径比为0.06时微织构表面摩擦因数最低，当深径比达到0.12时微织构表面摩擦因数最高。一方面，随着微织构深径比的增加，由于流体剪切效应在微织构凹坑中产生的微涡流逐渐增强削弱了流体动压，从而导致平均承载力下降；另一方面，随着微织构深径比的增加，微织构中储存的润滑液也随之增加，可以为摩擦副提供更充足的润滑，这可能是导致深径比为0.10的表面织构比深径比为0.08的表面织构的摩擦因数低且产生的平均承载力高的原因。当深径比进一步增加时微织构中微涡流削弱作用的影响更加显著，这可能是导致深径比从0.10继续提高到0.12时摩擦因数上升且平均承载力下降的原因。3.2微织构面积密度对平均承载力的影响为讨论面积密度图7示出了在一定相对滑动速度下，在人工关节摩擦副表面设置球形凹坑微织构对摩擦副间油膜承载力的影响。可见，在所设速度范围内，平均承载力随着相对滑动速度的增加而增加；在相同速度条件下，随着微织构面积密度由5%升至30%,平均承载力呈现出先升高后降低的趋势，并在面积密度为10%时取得最高值。图8反映出不同相对滑动速度下，摩擦因数与织构面积密度的关系。织构面积密度由5%增加到30%的过程中，摩擦因数呈现出先逐渐降低后缓慢上升的趋势，并在织构面积密度为25%时摩擦因数取得最低值，这与吴霄随着织构面积密度的增加，流体动压润滑效应逐渐增强，导致平均承载力提高以及摩擦因数逐渐降低。当面积密度到达一定程度且继续增加时，织构沿相对滑动速度方向分布过于密集，导致难以建立稳定的润滑油膜相滑动速度对油膜平均承载力以及因数的影响(1)在人工髋关节表面设置球形凹坑微织构可以提高油膜平均承载力降低摩擦因数，从而起到减小关节的摩擦磨损提高人工关节使用寿命的作用。(2)摩擦副相对滑动速度对油膜平均承载力以及摩擦因数有明显影响，在所设速度范围内油膜平均承载力随速度提高而增加，摩擦因数随速度提高而减小。(3)将深径比(