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本文主要研究人工关节的弹流润滑理论。全文包括四个部分,即椭圆接触纯自旋问题的弹流润滑分析、人工关节稳态弹流润滑问题多重网格解法、人工关节非稳态弹流润滑问题多重网格解法以及人正常行走时一个典型步态内的弹流润滑状况分析。
第一部分研究了椭圆接触纯自旋运动下的等温稳态弹流润滑问题,分析了各参数对这种工况下的弹流润滑的影响;通过本研究学习和掌握了多重网格算法。结果指出:速度越快、载荷越轻、椭圆比越大就越有利于油膜的产生;计算域的增大使中心油膜增厚,最大压力减低。
第二部分阐述了把多重网格算法应用到球坐标下人工关节弹流润滑研究的一些关键步骤,如缺陷方程的推导,压力的松弛迭代,偏心率的调整等,给出了用多重网格算法研究稳态弹流润滑问题的完整流程图。对大范围的工况参数进行了试算,得到正确、满意的结果。分析了各参数对UHMWPE型人工关节弹流润滑状况的影响。结果表明:减小径向间隙和UHMWPE的弹性模量,增大关节头半径和UHMWPE层厚度都可以增加油膜厚度。
第三部分在第二部分的基础上构建了解球坐标下非稳态弹流润滑问题的快速稳定的多重网格算法,研究了正弦规律变化的载荷对人工关节弹流润滑的影响。为了更好地从物理上理解动态效应的成膜机理,研究了载荷变化的频率对人工关节弹流润滑的影响。结果显示:载荷变化过程中,最小油膜和中心油膜变化的幅度都很小;载荷振动的频率越高,挤压效应就越明显。
第四部分首先给出了一个典型步态内的弹流润滑模型,把人正常行走时的一个步态分为三个具体的时变周期,即载荷骤增、载荷骤减和速度反向。然后用第三部分构建的工具,分析了三个具体时变周期的润滑状况。结果指出:载荷骤增和载荷骤减过程的最小膜厚和中心膜厚的变化都非常平缓;速度反向过程中,即使速度在某时刻减为零,油膜也不会失效;速度反向后由于入口区和出口区的转变,润滑膜的收敛区和发散区也发生变化。