基于绝对节点坐标单元的弹流润滑人工髋关节建模与分析

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人工髋关节在运动过程中会出现各种复杂的非线性特性,近年来得到了研究人员的关注。目前,各种人工髋关节已经植入到不同需求的病人体内,这种人工的球面轴承在人体内一般能正常工作10到15年。但是,这样的寿命远远没有满足年轻病患者以及运动较多的病患者的需求。其外部工作环境,内部润滑条件会进一步加剧各零部件的耦合效应,加剧老化。而近年来随着薄壁髋臼杯的兴起和髋臼杯材料向低弹性模量方向的发展,使得髋臼杯的弹性变形变得不容忽视。因此,EHD润滑人工髋关节建模与分析具有十分广泛的理论意义和工程应用价值。在前人的研究基础上,本文对具有弹流润滑人工髋关节的问题进行了探索,具体工作如下:1.为解决油膜差分点与髋臼杯有限元模型节点对应及计算效率问题,本文采用15节点五面体单元与20节点六面体单元联合建模。根据连续介质力学理论,推导了绝对节点坐标方法(ANCF)的15节点三维实体单元高效弹性力及其Jacabi的计算公式。对其动力学仿真有效性及其与20节点三维实体单元联合仿真有效性进行了验证。2.提出了一种研究具有弹流润滑人工髋关节的建模与计算方法。通过对刚性构件采用刚体的自然坐标方法(NCF)的绝对坐标方法建模,对柔性构件采用三维20节点六面体绝对节点坐标单元和三维15节点五面体绝对节点坐标单元离散,建立了具有EHD润滑人工髋关节的刚柔耦合模型。3.采用OpenMP并行计算技术与广义alpha方法对大规模方程进行了求解。分别采用超松弛迭代(SOR)方法和多重网格(MLMG)方法计算了润滑剂压力场。对部分数值计算结果采用商业软件ADINA进行了验证。
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