Помощь студентам в учебе
Испытание ультрамелкозернистого магниевого сплава на кручение и компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния медицинского винта
|
Введение 4
1 Аналитический обзор. Наноструктурированные материалы и теоретические аспекты напряженно-деформированного состояния изделий 6
1.1 Технология получения и свойства ультромелкозернистых материалов.. 6
1.2 Методики исследования структуры и механических свойств магниевого
сплава при растяжении 10
1.3 Механические свойства и биосовместимость наноструктурированного
металлических материалов для изготовления медицинских изделий 17
1.4 Перспективные медицинские изделия для челюстно-лицевой хирургии 29
1.5 Теоретические аспекты моделирования напряженно-деформированного
состояния в медицинских изделиях 38
1.6 Структура и свойства магниевого сплава 44
1.7 Теоретический расчет модуля упругости магниевого сплава 49
2 Материал и методики исследования 66
2.1 Исследуемый материал, методики исследования структуры и
механических свойств магниевого сплава при растяжении 66
2.2 Методика испытания образцов на кручение и макро- и
микрафрактографических исследований 68
2.3 Методы построения геометрической и сетчатой модели винта из
магниевого сплава 70
2.4 Разработка алгоритма моделирования и анализ напряженно -деформированного состояния винта из магниевого сплава при кручении...71
3 Результаты исследования 75
3.1 Структура и механические свойства магниевого сплава при растяжении 75
3.2 Результаты испытания образцов из магниевого сплава при кручении.. 76
3.3 Механизм разрушения магниевого сплава при кручении 77
3.4 Результаты моделирования эквивалентных напряжений в винте из УМЗ
магниевого сплава при кручении 79
Заключение 80
Список используемой литературы и используемых источников 83
1 Аналитический обзор. Наноструктурированные материалы и теоретические аспекты напряженно-деформированного состояния изделий 6
1.1 Технология получения и свойства ультромелкозернистых материалов.. 6
1.2 Методики исследования структуры и механических свойств магниевого
сплава при растяжении 10
1.3 Механические свойства и биосовместимость наноструктурированного
металлических материалов для изготовления медицинских изделий 17
1.4 Перспективные медицинские изделия для челюстно-лицевой хирургии 29
1.5 Теоретические аспекты моделирования напряженно-деформированного
состояния в медицинских изделиях 38
1.6 Структура и свойства магниевого сплава 44
1.7 Теоретический расчет модуля упругости магниевого сплава 49
2 Материал и методики исследования 66
2.1 Исследуемый материал, методики исследования структуры и
механических свойств магниевого сплава при растяжении 66
2.2 Методика испытания образцов на кручение и макро- и
микрафрактографических исследований 68
2.3 Методы построения геометрической и сетчатой модели винта из
магниевого сплава 70
2.4 Разработка алгоритма моделирования и анализ напряженно -деформированного состояния винта из магниевого сплава при кручении...71
3 Результаты исследования 75
3.1 Структура и механические свойства магниевого сплава при растяжении 75
3.2 Результаты испытания образцов из магниевого сплава при кручении.. 76
3.3 Механизм разрушения магниевого сплава при кручении 77
3.4 Результаты моделирования эквивалентных напряжений в винте из УМЗ
магниевого сплава при кручении 79
Заключение 80
Список используемой литературы и используемых источников 83
В последние несколько десятилетий учеными выявлен обширный потенциал наноматериалов для применения в биомедицине [3, 6, 9] и здравоохранении был тщательно изучен. Данные тематические исследования продемонстрировали, что наноматериалы могут предложить решения текущих проблем с сырьем в биомедицинских областях и областях здравоохранения. При этом продолжается поиск различных подходов к синтезу наночастиц и наноструктурированных материалов, а также новых технологий в биомедицине и здравоохранении в целом. В зависимости от их морфологии (например, размера, соотношения сторон, геометрии, пористости), наноматериалы могут использоваться в качестве модификаторов рецептур, увлажнителей, нанонаполнителей, добавок, мембран и пленок. Поскольку токсикологическая оценка зависит от размеров и морфологии, требуется строгое регулирование при тестировании эффективных дозировок наноматериалов, что выдвигает новые, более точные методы моделирования и биовизуализации, проверки на прочность и вероятность деформации применяемых материалов, что обуславливает актуальность данной работы.
Предметом исследования являются прочностные характеристики и механизм разрушения наноструктурированного магниевого сплава системы Mg-Zn-Са при растяжении и кручении, а также результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния медицинских винтов из наноструктурированного магниевого сплава.
Цель работы - изучить механические свойства наноструктурированного магниевого сплава системы Mg-Zn-Са и использование данных свойств для разработки технологии и проведении апробации компьютерного моделирования медицинских изделий (винтов) из наноструктурированного магниевого сплава.
Исходя из поставленной цели автором для исполнения в работе разработан ряд задач:
- провести аналитический обзор технологии получения и свойств ультромелкозернистых материалов;
- изучить механические свойства и механизм разрушения магниевого сплава в КЗ и УМЗ состоянии при растяжении и кручении;
- создать имитационную модель медицинского винта из наноструктурированного магниевого сплава;
- разработать алгоритм создания имитационной модели и провести моделирование его характеристик;
- обосновать эффективность разработанного алгоритма.
За последние несколько лет, челюстно-лицевая хирургия претерпела значительные изменения и улучшения: от диагностики до лечения. Так, при лечении переломов, для остеосинтеза широко используется метод жесткой фиксации отломков пластиной с винтами. В качестве материалов погружных металлических фиксаторов широкое применение находят магниевые сплавы, а именно наноструктурированные магниевые сплавы, обладающие хорошей биосовместимостью с человеческой костной тканью.
В настоящее время широко применяются новейшие методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния с применением CAD/CAE технологий.
Построение математической модели и оценка напряженно - деформированного состояния элементов исследуемых металлоконструкций была реализована в пакете конечно-элементного анализа ANSYS Products 2021 R2. Показано эффективное использование УМЗ магниевого сплава для изготовления медицинских винтов, что расширяет представления о физической природе прочности и механизмах разрушения наноструктрированных материалов.
Структура работы включает в себя введение, 3 главы, заключение и список использованных источников.
Предметом исследования являются прочностные характеристики и механизм разрушения наноструктурированного магниевого сплава системы Mg-Zn-Са при растяжении и кручении, а также результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния медицинских винтов из наноструктурированного магниевого сплава.
Цель работы - изучить механические свойства наноструктурированного магниевого сплава системы Mg-Zn-Са и использование данных свойств для разработки технологии и проведении апробации компьютерного моделирования медицинских изделий (винтов) из наноструктурированного магниевого сплава.
Исходя из поставленной цели автором для исполнения в работе разработан ряд задач:
- провести аналитический обзор технологии получения и свойств ультромелкозернистых материалов;
- изучить механические свойства и механизм разрушения магниевого сплава в КЗ и УМЗ состоянии при растяжении и кручении;
- создать имитационную модель медицинского винта из наноструктурированного магниевого сплава;
- разработать алгоритм создания имитационной модели и провести моделирование его характеристик;
- обосновать эффективность разработанного алгоритма.
За последние несколько лет, челюстно-лицевая хирургия претерпела значительные изменения и улучшения: от диагностики до лечения. Так, при лечении переломов, для остеосинтеза широко используется метод жесткой фиксации отломков пластиной с винтами. В качестве материалов погружных металлических фиксаторов широкое применение находят магниевые сплавы, а именно наноструктурированные магниевые сплавы, обладающие хорошей биосовместимостью с человеческой костной тканью.
В настоящее время широко применяются новейшие методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния с применением CAD/CAE технологий.
Построение математической модели и оценка напряженно - деформированного состояния элементов исследуемых металлоконструкций была реализована в пакете конечно-элементного анализа ANSYS Products 2021 R2. Показано эффективное использование УМЗ магниевого сплава для изготовления медицинских винтов, что расширяет представления о физической природе прочности и механизмах разрушения наноструктрированных материалов.
Структура работы включает в себя введение, 3 главы, заключение и список использованных источников.
В современной челюстно-лицевой хирургии для лечения переломов кости пациентов широко используют металлические фиксаторы. Как правило, конструкции различных металлических фиксаторов при остеосинтезе состоят из пластин и винтов, предназначенных для фиксации отломков. Основными материалами для изготовления таких конструкций являются титан и магниевые сплавы.
«Использование «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины широко распространено благодаря уменьшению размеров медицинских имплантатов и инструментов за счет применения новых материалов с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ)» [7]. «Эти материалы отличаются высокой твердостью и прочностью. Этим требованиям в полной мере отвечают объемные УМЗ металлические материалы, полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Многочисленные исследования последних двух десятилетий убедительно свидетельствуют, что создание УМЗ структур в металлических материалах методами ИПД, позволяют значительно увеличить их твердость, прочность и усталостную долговечность. Это относится, прежде всего, к широко используем для изготовления медицинских имплантатов и других устройств биометаллам, к числу которых относятся титан и его сплавы, аустенитные нержавеющие стали, магниевые сплавы и другие материалы» [15].
В настоящей магистерской диссертации реализованы инновационные подходы наноструктурирования вышеуказанных материалов, основанные на сочетании формирования УМЗ структуры, которые позволят обеспечить в металлах и сплавах не только рекордную прочность, но и их пластичность и вязкость, открывая путь к повышению целого комплекса их служебных свойств: ударной вязкости, низкой чувствительности к концентраторам напряжения, усталостной прочности и т.д. Это, в свою очередь, позволит существенно миниатюризировать медицинские имплантаты, предлагая, как усовершенствованные, так и новые перспективные конструкции имплантатов и сопутствующих медицинских инструментов. Кроме того, проведение поверхностной модификации имплантатов позволит повысить их биофункциональные свойства. Решение поставленной задачи предполагает также расчет прочностных свойств, предполагаемых изделий; исследование микроструктуры и механических свойств, полученных наноструктурных материалов на всех стадиях изготовления изделий - заготовок, полуфабрикатов, изделий, поверхностной обработки. Механические испытания будут включают: статические, ударные, усталостные и специфические для имплантатов нагрузки.
Результатом проведенных исследований стало создание новых научных принципов и технических решений получения медицинских имплантатов нового поколения из наноструктурных металлов с биосовместимыми покрытиями благодаря получению сверхпрочных сплавов металлов путем наноструктурирования методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
В ходе выполнения проекта разработаны научно-обоснованные принципы для разработки технологий производства имплантатов, за счет методов обработки интенсивной пластической деформацией значительно улучшены механические характеристики этих материалов (высокая прочность в сочетании с пластичностью и усталостной долговечностью) по сравнению с результатами, имеющимися в мировой практике на сегодняшний день. Физической основой данного подхода является реализация множественных механизмов упрочнения при формировании ультрамелкозернистой структуры и наборе наноструктурных особенностей - нанофазных выделений, зернограничных сегрегаций и пр.
Осуществлен переход к цифровым производственным технологиям. Применение цифрового производства позволит реализовать производство имплантатов персонализированной формы, а применение органических и неорганических покрытий позволит управлять биосовместимостью изделия.
«Использование «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины широко распространено благодаря уменьшению размеров медицинских имплантатов и инструментов за счет применения новых материалов с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ)» [7]. «Эти материалы отличаются высокой твердостью и прочностью. Этим требованиям в полной мере отвечают объемные УМЗ металлические материалы, полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Многочисленные исследования последних двух десятилетий убедительно свидетельствуют, что создание УМЗ структур в металлических материалах методами ИПД, позволяют значительно увеличить их твердость, прочность и усталостную долговечность. Это относится, прежде всего, к широко используем для изготовления медицинских имплантатов и других устройств биометаллам, к числу которых относятся титан и его сплавы, аустенитные нержавеющие стали, магниевые сплавы и другие материалы» [15].
В настоящей магистерской диссертации реализованы инновационные подходы наноструктурирования вышеуказанных материалов, основанные на сочетании формирования УМЗ структуры, которые позволят обеспечить в металлах и сплавах не только рекордную прочность, но и их пластичность и вязкость, открывая путь к повышению целого комплекса их служебных свойств: ударной вязкости, низкой чувствительности к концентраторам напряжения, усталостной прочности и т.д. Это, в свою очередь, позволит существенно миниатюризировать медицинские имплантаты, предлагая, как усовершенствованные, так и новые перспективные конструкции имплантатов и сопутствующих медицинских инструментов. Кроме того, проведение поверхностной модификации имплантатов позволит повысить их биофункциональные свойства. Решение поставленной задачи предполагает также расчет прочностных свойств, предполагаемых изделий; исследование микроструктуры и механических свойств, полученных наноструктурных материалов на всех стадиях изготовления изделий - заготовок, полуфабрикатов, изделий, поверхностной обработки. Механические испытания будут включают: статические, ударные, усталостные и специфические для имплантатов нагрузки.
Результатом проведенных исследований стало создание новых научных принципов и технических решений получения медицинских имплантатов нового поколения из наноструктурных металлов с биосовместимыми покрытиями благодаря получению сверхпрочных сплавов металлов путем наноструктурирования методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
В ходе выполнения проекта разработаны научно-обоснованные принципы для разработки технологий производства имплантатов, за счет методов обработки интенсивной пластической деформацией значительно улучшены механические характеристики этих материалов (высокая прочность в сочетании с пластичностью и усталостной долговечностью) по сравнению с результатами, имеющимися в мировой практике на сегодняшний день. Физической основой данного подхода является реализация множественных механизмов упрочнения при формировании ультрамелкозернистой структуры и наборе наноструктурных особенностей - нанофазных выделений, зернограничных сегрегаций и пр.
Осуществлен переход к цифровым производственным технологиям. Применение цифрового производства позволит реализовать производство имплантатов персонализированной формы, а применение органических и неорганических покрытий позволит управлять биосовместимостью изделия.