基于SPH-FEM耦合算法的高压水射流冲蚀皮质骨损伤形态研究
目前,在传统的骨科手术中主要使用钻孔、锯切和铣削等方法,在切割过程中产生大量的热量,导致骨和周围组织的不可逆损伤。高压水射流技术已经证明能够有效地降低切割温度并防止切割过程中的热损伤。它作为骨科手术中传统手术技术的替代方法具有很大的潜力。本文采用SPH-FEM(Smoothed particle hydrodynamics-Finite element method)耦合算法和LS-DYNA软件模拟高压水射流对皮质骨的侵蚀过程。分析了射流压力对骨损伤形态及皮质骨断裂程度的影响。模拟结果表明,高压水射流对皮质骨的损伤凹陷截面呈“U”形。皮质骨的最大损伤深度随射流压力的增大而增大。随着射流压力从80 MPa增加到245 MPa,平均皮质骨损伤深度的增加速率从约0.01 mm/s增加到大于0.45 mm/s。皮质骨损伤凹段的起始处呈“漏斗”状,皮质骨损伤宽度在此位置达到最大。当射流压力低于180 MPa时,皮质骨损伤宽度有明显波动。随着射流压力的增加,波动减小。在相同的工艺参数下进行了物理实验,以验证数值计算结果。实验结果与数值计算结果基本一致,可为提高射流冲蚀皮质骨的表面质量提供理论依据。