TC4钛合金负泊松比人工骨微结构的力学性能匹配研究

金属人工骨植入体的设计以正泊松比多孔结构为主，而少有针对超材料负泊松比多孔结构的设计研究。本文设计不同变形机理、不同孔隙率下的负泊松比多孔骨结构材料，借助选区激光融化成型技术制备医用Ti6Al4V负泊松比多孔植入物样件，进行微观材料表征和可制造性评测，以及通过压缩试验揭示强度、弹性模量等力学性能与胞元结构类型、结构参数间的影响规律，评测不同结构与人骨力学性能的匹配程度。结果表明：各结构都具有较高的可制造性，成型质量与结构特征和孔隙率相关；负泊松比结构力学性能高度依赖于结构设计及孔隙率；所设计的负泊松比结构通过改变支柱直径能够将实体金属弹性模量降低至与人体骨骼相近的范围内，并有望通过调整结构参数进一步实现植入体力学性能的广跨度调控。     

基于正交实验的45钢车削性能的研究

用硬质合金车刀,采用正交实验法进行40 Cr车削力的实验,得到转速、进给量、背吃刀量与切削力的关系,主切削力随进给量的增大而增大,背吃刀量的增大而增大,当速度大于50 m/min,主切削力随速度的增大而减小.其中背吃刀量的影响最大,其次是进给量,速度的影响效果最低.正交实验所得的经验公式Fz=2 685ap0.98f0.744v-0.153,Fy=1 912ap0.88f0.59v-0.153,Fx=2 834ap1.02f0.51v-0.4.     

地球磁场对磁记忆检测信号的影响研究

对一轴类铁磁性材料进行磁记忆检测实验,研究不同检测方法对磁记忆检测信号参数的影响。研究结果显示,不同的检测方法,检测得到的试件磁记忆信号差别较大。试件上下放置时,地磁场的影响程度最大;南北向放置时,地磁场的影响程度次之;东西向放置时,地磁场的影响程度最小。     

环境磁场对磁记忆检测信号的影响

通过对一铁磁性试件进行磁记忆检测实验,选择手机信号作为干扰源,研究不同环境磁场下试件磁记忆检测信号的变化情况.同时,对试验过程中的环境磁场对磁场强度变化的影响进行了机理分析.研究结果表明:对不同程度的环境磁场干扰,检测得到的试件磁记忆信号差别显著;周围有放置手机但不通话时,环境磁场的干扰程度不大;随着周围环境的通话手机数量逐渐增多,环境磁场的干扰程度不断加大直至足以影响检测精度.     

汽车零部件再制造的相关政策与对策研究

阐述了再制造工程的涵义和对汽车零部件进行再制造的重大意义,研究了汽车零部件再制造的政策产生背景和相关政策及技术对策,指出了在我国当前环境和生态背景下对汽车零部件进行再制造对实现汽车工业的可持续发展有着极其重要作用。     

SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100~200 W、扫描速度800~1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

基于SLM的梯度多孔牙种植体力学特性

目的 确定既满足强度要求又能够有良好长期稳定性的梯度多孔牙种植体最佳孔隙值。方法 设计4组不同孔隙率(G30、G40、G50、G60)的梯度多孔结构样件及均质多孔样件S30,选区激光熔化(SLM)成型后通过准静态压缩试验对其力学性能进行研究,测量出样件的弹性模量和屈服强度。通过有限元分析评估不同孔隙率种植体及对应下颌骨组织的应力分布。结果 相较于实体钛合金结构(110 GPa),多孔结构的弹性模量(13.47~15.88 GPa)已完全符合人体自然骨组织(2~20 GPa)范围,多孔结构屈服强度(484.81~834.47 MPa)远高于皮质骨(180.5~211.7 MPa);梯度多孔结构样件弹性模量相较于均质多孔结构略有提升,屈服强度(834.47 MPa)比均质多孔结构样件(730.56 MPa)提高了约14%。梯度多孔种植体周围皮质骨最大等效应力值分布在43.362 9~45.015 4 MPa之间,松质骨最大等效应力值分布在4.756 58~ 5.055 6 MPa之间,完全满足2~60 MPa范围内的最大应力,适合骨组织生长。种植体与下颌骨之间的应力差值随着孔隙率的增大而逐渐变大,孔隙率为30%的TPMS–G型梯度多孔牙种植体与下颌骨应力差值最小,生物力学特性最佳,有利于形成稳定的骨整合。结论 通过试验及仿真模拟,确定了适用于种植体的最佳梯度多孔结构,既满足强度要求,又具有良好的长期稳定性。     

基于SLM的股骨柄多孔结构设计与力学性能分析

为了减轻传统股骨柄与股骨之间弹性模量相差较大而造成的应力遮挡效应,采用激光选区熔化(SLM)技术制备了基于三周期极小曲面(TPMS)的多孔结构,研究了孔隙率为55%～75%的P、G、D三种TPMS结构的力学性能,并通过有限元分析评估了不同孔隙率的P结构股骨柄在植入股骨后的应力遮挡程度。压缩试验结果表明:在适合骨细胞生长的孔隙率范围内,TPMS结构的屈服强度均大于股骨的屈服强度,满足股骨柄设计的强度要求,并且TPMS结构的力学性能随孔隙率的升高而降低,其中P结构降低的幅度最大。有限元分析结果表明,在股骨柄中引入P结构后能够有效缓解应力遮挡效应,有利于提高股骨柄的稳定性和使用寿命。     

激光熔覆试件疲劳过程磁记忆检测试验研究

运用金属磁记忆检测技术对激光熔覆试件进行应力评价。对激光熔覆试件进行疲劳试验,检测不同疲劳周次试件表面的磁记忆信号法向分量H_p(y)和切向分量H_p(x),观察不同疲劳周次的磁记忆信号特征,分析法向分量梯度偏离程度R随着疲劳周次N增加的变化规律。结果表明:随着N的增加,H_p(y)曲线均呈顺时针旋转,R值先缓慢增加、后迅速陡增;运用R值作为参量将熔覆试件的损伤程度划分为三个等级,确定试件的安全阈值分别为2.82和9.4。当R值达到9.4的阈值时,试件处于临界断裂状态,应及时干预,确保其安全服役。基于磁弹性效应和裂纹扩展磁机械效应探讨了熔覆试件应力的磁记忆评价机理。     

选区激光熔化成型316L不锈钢多孔结构的力学性能

为了减轻或消除人工植入体的“应力屏蔽”效应,提高生物相容性,需要对选区激光熔化（SLM）技术成型多孔结构进行力学性能研究。通过制备316L不锈钢体心立方(BCC)、正十二面体（RD)两种多孔结构,分别进行成型件纵向压缩试验,建立了Gibson-Ashby模型,预测了多孔结构弹性模量值。采用分形插值法,分析了孔隙率、平均孔径、比表面积对多孔结构弹性模量和抗压强度的影响程度。分析试验表明,316L不锈钢多孔结构样件在孔隙率为55.13%～94.74%,平均孔径为1.90～4.22 mm,比表面积0.54～4.33时,其弹性模量为0.375 ～1.716 GPa,抗压强度为43.19~160.31 MPa。对比人骨弹性模量0.9 ～1.7 GPa,满足植入体要求。孔隙率、平均孔径、比表面积对正十二面体多孔结构的弹性模量和抗压强度的幅值变化影响较小,对体心立方多孔结构影响较大。正十二面体多孔结构抗压强度为111.75～160.31 MPa,体心立方多孔结构的抗压强度为43.19～158.03 MPa,正十二面体多孔结构的力学性能比体心立方结构性能更好,为选区激光熔化技术制备316L不锈钢多孔结构的人工植入体研究提供依据。