【摘要】：微磨削是骨外科手術(shù)中常見和基本的操作,臨床神經(jīng)外科醫(yī)生采用生理鹽水滴灌式微磨削實(shí)現(xiàn)對骨組織的去除,冷卻效率低、手術(shù)區(qū)域能見度差,憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整磨削用量易導(dǎo)致手術(shù)溫度過高,而人體骨及神經(jīng)、血管都極易受到高溫的影響;磨削溫度過高引起的骨壞死、神經(jīng)不可逆的熱損傷是骨外科手術(shù)的瓶頸問題之一。同時(shí),生物骨組織作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬脆材料,在磨削過程中伴隨著大量的微裂紋產(chǎn)生,微裂紋極易擴(kuò)展連通導(dǎo)致骨斷裂;機(jī)械應(yīng)力過大引起的骨裂紋損傷(力損傷)是外科骨磨削的另一技術(shù)瓶頸,嚴(yán)重限制了微磨削在外科手術(shù)中的應(yīng)用。而骨組織去除過程中熱損傷及力損傷問題的本質(zhì)及科學(xué)本源都可歸結(jié)為機(jī)械工程的熱力學(xué)問題,依此,本文提出一種納米粒子射流噴霧式冷卻生物骨微磨削新工藝,借鑒機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)δハ鳠釗p傷及裂紋損傷的抑制措施,解決外科骨手術(shù)的瓶頸,為臨床外科骨手術(shù)避免或降低熱力損傷提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。為此,本文開展了納米粒子射流噴霧式冷卻生物骨微磨削熱力學(xué)作用機(jī)理的研究,研究了微磨削區(qū)納米粒子射流對流傳熱機(jī)理,揭示了納米級固體粒子強(qiáng)化換熱機(jī)制,建立了納米粒子射流噴霧冷卻條件下的對流換熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型;揭示了微磨削區(qū)熱量分配機(jī)制,建立了納米粒子射流噴霧冷卻微磨削區(qū)熱分配系數(shù)模型;研究了硬脆生物骨材料微磨削力學(xué)行為,建立了生物骨微磨削尺寸效應(yīng)下的最小切屑厚度模型;揭示了硬脆骨材料應(yīng)力傳遞及裂紋擴(kuò)展機(jī)理,建立了延-脆轉(zhuǎn)變臨界未變形切屑厚度模型,揭示了生物骨延性域去除動(dòng)態(tài)熱源分布規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,建立了納米粒子射流噴霧冷卻生物骨微磨削溫度場動(dòng)態(tài)模型。論文主要包括以下內(nèi)容:(1)研究了微磨削區(qū)納米粒子射流噴霧液滴對流傳熱機(jī)理,揭示了噴霧液滴粒徑概率密度分布機(jī)制,探索了射流參數(shù)對噴霧邊界的影響規(guī)律;采用韋伯?dāng)?shù)及拉普拉斯數(shù)分析了液滴撞擊熱源表面后的動(dòng)態(tài)行為,對有效換熱液滴粒徑進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析;探索了單顆納米流體液滴換熱系數(shù),在此基礎(chǔ)上,建立了納米粒子射流噴霧冷卻條件下的對流換熱系數(shù)模型,探索了射流參數(shù)、液滴鋪展特性參數(shù)對對流換熱系數(shù)的影響規(guī)律。(2)設(shè)計(jì)并搭建了符合噴霧式冷卻邊界條件的對流換熱系數(shù)測量系統(tǒng),解決了目前管內(nèi)對流換熱系數(shù)測量不符合實(shí)際噴霧式冷卻工況,導(dǎo)致噴霧式冷卻對流換熱系數(shù)測量誤差大的瓶頸問題;分析了測量系統(tǒng)的測量誤差,通過測量純生理鹽水噴霧及不同醫(yī)用納米粒子射流噴霧冷卻的對流換熱系數(shù),分析了對流換熱系數(shù)理論模型的誤差;揭示了納米級固體粒子在微磨削區(qū)的強(qiáng)化換熱機(jī)制。(3)研究了硬脆生物骨材料延性域去除機(jī)理,揭示了骨材料微磨削力學(xué)行為,探索了生物骨微磨削延性域去除未變形切屑厚度閾值分布規(guī)律;基于應(yīng)變梯度塑性理論,建立了生物骨微磨削尺寸效應(yīng)下的最小切屑厚度數(shù)學(xué)模型;揭示了硬脆骨材料應(yīng)力傳遞及裂紋擴(kuò)展機(jī)理,基于斷裂力學(xué)理論建立了延-脆轉(zhuǎn)變臨界未變形切屑厚度數(shù)學(xué)模型。(4)研究了生物骨材料延性域去除未變形切屑厚度閾值區(qū)間,搭建了單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用與人體骨力學(xué)性能最相近的新鮮牛股骨對硬脆骨材料延性域去除機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;綜合采用磨削力比、單位磨削力及比磨削能隨單顆磨粒未變形切屑厚度的變化趨勢,判定了硬脆骨材料微磨削行為,分析了生物骨材料最小切屑厚度及延-脆轉(zhuǎn)變臨界未變形切屑厚度模型精度;揭示了納米粒子的抗磨減摩機(jī)制對生物骨材料延性域去除未變形切屑厚度閾值區(qū)間的影響規(guī)律。(5)揭示了微磨削區(qū)熱量分配機(jī)制,基于納米粒子射流對流傳熱機(jī)理,建立了熱分配系數(shù)模型;分析了生物骨材料去除方式對微磨削區(qū)能量產(chǎn)生及消耗形式的影響機(jī)制,建立了骨延性域去除動(dòng)態(tài)熱流密度模型;在此基礎(chǔ)上,建立了納米粒子射流噴霧冷卻生物骨微磨削溫度場動(dòng)態(tài)模型;采用有限差分方法分析了骨干磨削熱損傷域。(6)研究了納米粒子射流生物骨微磨削溫度場,搭建了納米粒子射流噴霧冷卻生物骨微磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過測量骨微磨削力及骨表面不同測量點(diǎn)的溫度,分析了納米粒子射流噴霧式生物骨微磨削溫度場動(dòng)態(tài)模型精度;研究了骨材料微磨削溫度場動(dòng)態(tài)特性,揭示了納米粒子粒徑及濃度對骨微磨削溫度的影響規(guī)律。
【圖文】：

1.2 骨材料結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特性以人體中的長骨為例，如圖1-1所示[14]，長骨形似長管，主要分布于人體的四肢。長骨結(jié)構(gòu)分為一體兩端，即骨體和骺。骨體又稱作骨干，主要由骨膜、骨質(zhì)和骨髓構(gòu)成，其內(nèi)部含有大量的神經(jīng)組織及血管。兩端較膨大的部分稱為骨骺，呈窩狀的骨松質(zhì)；松質(zhì)骨呈海綿狀，彈性較大，結(jié)構(gòu)疏松多孔，孔內(nèi)含有骨髓，其結(jié)構(gòu)呈多孔狀，由周圍的密質(zhì)骨包圍在骨的內(nèi)環(huán)，并為骨骼提供所需的營養(yǎng)和水分[15,16]。骨的中部是密質(zhì)骨，，主要存在于長骨干和其他類型骨的表面，由成層骨板密制排列而成，厚約3~6 mm

工 大 學(xué) 工 學(xué) 博 士 學(xué) 位過程中熱損傷使周圍組不可逆熱損傷是骨微磨大量冷卻液，易降低內(nèi)微磨削過程中所引起的過高所導(dǎo)致的不可逆熱損紋，引起的裂紋損傷（的本質(zhì)及科學(xué)本源都可熱的問題，在機(jī)械加工熱損傷的抑制措施，避
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG580.6;TB383.1


本文編號(hào)：2622813