具有弹流润滑人工髋关节的多体动力学建模与分析
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摘要
人工髋关节在运动过程中会出现各种复杂的非线性特性,近年来得到了研究人员的关注。随着薄壁髋臼杯的兴起和髋臼杯材料向低弹性模量方向的发展,使得髋臼杯的弹性变形变得不容忽视。因此,对具有弹流润滑(EHD)人工髋关节的多体系统问题进行分析具有重要的理论意义和工程应用价值。本文基于描述柔性构件的绝对节点坐标方法(ANCF)与描述刚体的自然坐标方法(NCF)建立了有EHD润滑人工髋关节的刚柔耦合模型。根据连续介质力学理论,推导了基于ANCF的15节点三维实体单元高效弹性力及其Jacabi的计算公式,然后通过一些经典的静力学和动力学算例验证了单元的有效性。采用OpenMP并行计算技术与广义alpha方法对大规模方程进行了求解。通过对弹流润滑理论的分析,认为研究弹流润滑问题的重点就是对各个控制方程进行快速有效求解。对各参数进行无量纲化处理,应用有限差分法离散Reynolds方程和膜厚方程,采用超松弛迭代(SOR)方法计算了润滑剂压力场。考虑髋臼杯变形对润滑压力场的影响,通过固定偏心和固定载荷EHD润滑润滑人工髋关节稳态响应和商业软件ADINA的计算结果进行对比,验证了液动力润滑压力的正确性。同时对大范围的工况参数进行了试算,分析了各参数的变化和非稳态载荷对EHD人工髋关节模型的影响。最后通过双摆模型说明EHD润滑人工髋关节在多体动力学中的应用,研究了材料柔性对系统动力学响应的影响。以上工作可进一步扩展到具有EHD润滑髋关节的人体行走多体动力学研究。
引文