Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ПАРАМЕТРОВ НДС БИОКОМПОЗИТА «КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ZrO2 - КОРТИКАЛЬНАЯ КОСТНАЯ ТКАНЬ» С УЧЕТОМ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ

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
Купить

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%.
Купить