Реферат
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 18
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 22
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 26
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 32
5.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 32
5.2 ДИАГРАММА ДЕФОРМИРОВАНИЯ БИОКОМПОЗИТА 34
5.3 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА
ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НДС НА
МЕЗОСКОПИЧЕСКОМ МАСШТАБНОМ УРОВНЕ 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
Наступил период, который часто называют эрой новых материалов и новых технологий. Большие достижения фундаментальной науки, небывалая интеграция техники и науки стали катализаторами изменений, происходящих в нашей жизни, и это, в большей степени, относится к функциональным и конструкционным материалам, которые используются в окружающем нас мире. Медицина в отличие от других областей знаний и практики, больше всего использует все то, что создали современная наука и производство. С другой стороны, именно медицина, как никто другой постоянно ставит задачи перед различными отраслями науки и техники, в решении проблем сохранения здоровья и жизни людей. Главным образом это касается средств воздействия на отдельные органы человека, временного или длительного замещения их функций.
Основной, в этом случае, считается задача применения существующих и создания современных материалов для производства более качественных изделий медицинской техники и разработки новых технологий. Чем больше медицина познает человеческий организм, познает его законы на клеточном и генетическом уровнях, тем больше появляется потребность в использовании существующих и создании новых материалов, совместимых с отдельными органами человека, не оказывающих плохого влияния на его здоровье. В современной медицине используются изделия из материалов, создаваемых в металлургии, нефтяной, химической и газовой промышленности, с применением биохимических, биофизических и генноинженерных методов. Это металлы и сплавы, пластмассы и полимеры, жидкие кристаллы, композиционные и другие материалы [1].
При применении изделий из вышеперечисленных материалов в медицине в качестве реконструкции и замещении костной ткани могут возникнуть проблемы, связанные с несживлением материала с живыми тканями организма. Это происходит в результате плохой проницаемости материала, из-за этого костная ткань не прорастает в имплантат. Также недостаточная биологическая инертность, совместимость и т.д препятствуют применению данных материалов в медицине. Избежать этих проблем можно за счет разработки новых типов имплантатов, применения новых материалов. Все это обуславливает необходимость продолжения исследования подобных материалов.
Для улучшения качества, экономичности и надежности изделий медицинской техники при уменьшении их материалоемкости развиваются высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозийной стойкости, тепло - и хладостойкости сплавов; увеличивается производство новых композиционных и полимерных материалов с заданным комплексом свойств; применяются эффективные методы обработки изделий и материалов с целью существенного улучшения их свойств[1].
Успешность применения материалов во многом определяется надежностью прогнозирования их характеристик. Для решения этой задачи в настоящее время широко применяются методы компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование в биомеханике очень важно. На основе количественных данных строятся модели биологических структур и процессов; соответствующие программы могут предсказать поведение биологической системы, структуры или организма в зависимости от лечения, внешних воздействий, развития болезни или старения. Компьютерные модели могут приблизительно описать механику работы различных частей тела. Можно использовать моделирование и для анализа возможных изменений в конструкции протеза, а также связанного с ними риска для больного. Немало важно то, что при помощи компьютерного моделирования можно избежать проведения экспериментов на животных и людях[2]. Не менее важное значение компьютерное моделирование может иметь и при оценке механических свойств биоматериалов, в частности биокомпозитов.
При оценке механических свойств могут применяться различные подходы [3-12]. Одним из наиболее активно развиваемых в настоящее время является многоуровневый подход, позволяющий учесть тип структуры и ее влияние на свойства композитов, в частности на прочность. При оценке прочностных свойств композита многоуровневая модель должна учитывать возможность разрушения объемов материала на каждом масштабном уровне, а также обеспечивать возможность передачи информации об условиях нагружения и состоянии разномасштабных объемов между уровнями модели. При использовании такого подхода важную роль играет исследование параметров НДС материала на каждом уровне, включая микроскопический уровень.
В рамках многоуровневого подхода полагается, что макропараметры определяются поведением материала на мезоуровне. В связи с этим важной задачей является изучение поведения биокомпозита на мезоуровне с учетом явлений, которые могут иметь место в процессе деформирования материала. Одним из таких процессов является процесс накопления повреждений.
В связи свыше изложенным, целью работы является изучение влияния накопления повреждений на значения параметров НДС мезоуровня. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) численное моделирование механического поведения представительного объема биокомпозита на основе пористой керамики с учетом накопления повреждений;
исследование эволюции параметров НДС моделируемого композита на мезоуровне в процессе его деформирования
В ходе работы было исследовано влияние накопления повреждений на эволюцию полей напряжений мезоскопического уровня биокомпозита. В результате работы построена диаграмма деформирования биокомпозита «Керамика на основе ZrO2 - кортикальная костная ткань», определены
предельные значения напряжения и деформации в соответствии с перколяционным критерием прочности, исследована эволюция законов распределения мезоскопических напряжений в компонентах биокомпозита в процессе деформирования композита с учетом накопления повреждений.
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) распределения напряжений для разных значений деформаций в отсутствии повреждений являются подобными друг другу, но при этом с увеличением деформации растет размах распределения и уменьшается его амплитуда;
2) показано, что накопление повреждений оказывает влияние на вид законов распределения параметров значения НДС на мезоскопическом уровне, что проявляется в появлении порогового значения распределения напряжений, а также в существенном уменьшении размаха;
3) найдены предельные значения эффективных напряжений и деформаций, соответствующие перколяционному критерию прочности: Оегг=124МПа, 8eff=0.68%.
