人体皮质骨的Johnson-Cook参数获取及钻削力规律研究

作     者：程肖 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜茂华

授予年度：2021年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 10[医学] 

主      题：钻骨 人体皮质骨 Johnson-Cook本构模型 钻削力 刀具结构 

摘      要：骨折手术中的钻骨操作是外科手术中较为常见的操作之一。生物骨骼的最外层是由高强度和硬度的致密皮质骨结构组成,其承载了生物体受到的大部分载荷。但是由于骨骼材质本身具有导热性差、蜂窝状结构和脆硬的特性使得其在钻削过程中易受到钻削力或者钻削温度的影响而导致损伤,进而影响患者的术后恢复。目前,关于骨骼钻削的研究大都是基于动物骨骼采用实验及仿真的方法研究钻削参数、钻头结构等对钻骨过程中产生的力或温度的影响。然而,动物骨骼不一定能真实地反映人体骨骼在钻削过程中的特有钻削性质。因此,本文通过研究人体皮质骨的Johnson-Cook参数以建立更加符合实际的人体皮质骨的钻削有限元模型,这对未来的骨折手术具有非凡的医学价值。本文以仿真和实验相结合的方式,对钻骨过程中的骨骼材质的本构模型参数进行了深入研究。首先以目前常用的骨骼本构模型参数为基础,采用Advant Edge仿真软件建立了钻削有限元模型。然后依据已有的人体皮质骨钻削力的实验数据,使用多元函数的下山单纯形法不断地进行有限元迭代仿真,最终获得了重要的人体皮质骨的Johnson-Cook本构模型参数。基于该参数建立人体皮质骨的钻削有限元模型,探讨麻花钻的不同刃型结构对骨骼的钻削力影响,发现刀具结构在一定程度上对钻削力是有影响的。通过选取钻头顶角、螺旋角、圆角半径进行正交仿真试验和数据分析,得到了人体皮质骨的最小钻削力刃型结构和各因素与钻削力之间的回归模型。最后进行了猪股骨的钻削实验,发现猪股骨与人体皮质骨的钻削力规律表现一致,但二者间数值差13%～21%;当将猪股骨的实验钻削力下调15%时,则可以用其大致反映人体骨骼的钻削特性。同时猪股骨随转速、进度速度的钻削力变化规律与所建立的人体皮质骨仿真模型一致,表明二者具有一定的共性。