摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展

髋关节假体服役过程中会产生高于天然关节的摩擦热,引起假体与滑液温度上升进而改变髋关节假体的松动失效机制.研究摩擦热作用下假体摩擦特性、滑液润滑特性及相关细胞生物学特性,对提高假体体内使用寿命具有重要意义.本文中重点阐述摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展,并对其发展趋势进行展望.     

人工椎间盘生物摩擦学研究进展:脊柱模拟试验机方法

人工椎间盘生物摩擦学性能评估有多种研究方法,其中使用脊柱模拟试验机是评估椎间盘假体中长期磨损性能的主要手段.本文整理了近年来使用脊柱模拟试验机进行椎间盘假体磨损性能评估的研究文献,介绍了现有脊柱模拟试验机种类和研究方法以及相关试验标准;分析了近年来针对影响假体磨损性能主要因素(假体结构设计、关节材料、材料表面处理、载荷/运动/频率、润滑液、磨损时间等)所取得的研究进展;综述了主要颈腰椎人工椎间盘假体的磨损性能.     

人工髋、膝关节磨损测试标准及模拟试验机研究进展

髋膝关节植入物假体在体内发生摩擦磨损进而造成骨溶解、无菌松动是导致其失效的重要原因之一. 人工髋膝关节磨损试验是对假体材料、设计和加工进行评价的重要形式. 天然髋膝关节承受的运动和载荷十分复杂，研究天然关节在各种行为下的受力和运动范围，并利用专门的髋膝关节模拟器来进行试验和评价，有助于人工关节的设计和耐磨关节材料的发展. 本文中整理了天然髋膝关节的运动范围及载荷，对比了人工髋膝关节假体磨损的国内外标准，总结了主流髋膝关节模拟试验机的结构及主要技术参数，为我国关节行业的研究者提供参考.      

国内全髋关节置换磨损测试及数值模拟研究进展

髋关节假体磨损及磨损颗粒所导致的无菌性松动是髋关节置换失败的重要原因. 本文作者对国内髋关节磨损研究时采用的运动学与力学曲线以及针对国人测绘的相应曲线进行了差异性分析,并对国内发表的全髋关节磨损体外模拟机测试试验及结果,数值模拟模型及结果进行了总结、对比和分析. 结果显示:1) 国人测绘的运动学与力学曲线不能直接用于全髋关节磨损评估的加载条件,国内关节力的测量方法仍有待进一步改进;2) 国内体外磨损测试的研究结论与国外发表的结论相似,但不同机构间的测试结果存在一定差异;3) 国内髋关节磨损仿真研究还处于起步阶段,仿真计算得到的磨损率普遍低于体外测试结果. 因此,建立基于国人行为力学的磨损评估标准、对磨损模型进行合理优化并采用有限元和骨肌多体动力学相耦合的分析方法对髋关节假体临床前磨损性能进行评估是未来的研究方向.      

陶瓷髋关节异响的研究进展和展望

分别从假体外科植入因素、假体设计因素和假体的摩擦振动因素3个方面,评述了近10年来国内外学者在陶瓷髋关节异响的产生机理及其影响因素等方面所做的研究工作和取得的进展。目前,在关节异响研究领域的主要进展是认识到髋关节植入假体的磨损和假体设计的缺陷会导致关节异响,但这些认识不能完全解释关节异响的物理现象。此外,一些学者已经注意到假体摩擦自激振动可能是关节异响的发生机理,但研究工作才刚起步。关节异响的发生机理尚不明确,许多问题还有待深入研究。为了更好地探究关节异响的发生机理,建议从摩擦自激振动与髋关节体内动力学交叉的角度来研究和分析关节异响。     

人工膝关节置换中的生物力学研究进展

膝关节是人全身最大最复杂的关节, 它的任何一个主要组成部分的损坏都会引起膝关节的反常运动, 久之软骨和半月板发生磨损、变性而形成骨性关节病, 从而影响人的日常生活. 通常采用的方法是进行膝关节矫形或置换, 对严重病变的膝关节, 则采用全膝置换手术.随着人工膝关节置换成为非常普遍的外科手术, 与膝关节假体相关的研究也越来越多的被人所关注. 从生物力学角度对人工膝关节假体的类型和材料、假体生物力学性能的理论和实验研究、骨重建的理论模型、骨整合的理论和实验、与理论和实验相关的有限元分析模型等几个主要方面进行了详尽的综述. 同时, 指出了人工膝关节置换和目前研究中存在的问题,并对其未来的发展方向进行了一定的预测.      

热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生, 而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的积累.由于特殊制备工艺和使用环境, 材料性能涉及到许多特殊机制.近半个世纪的研究,人们对其性能有了充分认识.综述 近几年的研究结果,内容包括:热生长氧化现象及其热力学描述;热生长应力与材料失效的联系;材料破坏机理与性能 控制参数和材料微组织的联系;微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率;破坏 准则、服役寿命预计模型和评价标准等.     

超低温摩擦学研究进展

近年来，随着深空探测、超导和量子计算等技术的发展，越来越多的装备需要在极端低温工况下服役，超低温引起的润滑问题日益显现.目前超低温摩擦学研究相对较少，主要集中在材料摩擦学性能的变化研究方面，对其背后作用机制的研究并不深入.超低温下大多数固体润滑材料的耐磨性能变差，难以满足长时间服役需求；材料的摩擦学行为受环境、制备方法以及材料种类等众多因素影响，摩擦学性能变化趋势和程度有所不同，难以形成统一的认识.本文作者从超低温对材料原子和电子运动抑制作用的本质出发，归纳分析了超低温对润滑材料摩擦学性能的影响机制，从超低温引起力学性能变化、摩擦界面间的化学反应活性变化、相结构及界面结构变化以及电子-声子耦合等微观能量耗散形式等4个方面的影响机制进行了介绍，并对未来超低温摩擦学的发展方向和亟需解决的问题进行了展望.     

维生素 E型人工膝关节在ISO标准步态与上楼梯运动下的磨损情况对比

为研究人工膝关节假体在ISO标准步态与上楼梯运动负载下的摩擦磨损情况,通过对日常活动频次及动力学和运动学的研究与分析,基于人工膝关节磨损试验机,以新型Vitamin E型人工膝关节为对象进行500万次标准步态磨损测试加200万次上楼梯运动磨损测试. 结果表明正常步态阶段的磨损率为4.34 mg/mc,上楼梯运动阶段的磨损率为5.95 mg/mc. 上楼梯运动相比标准步态对半月板衬垫的磨损量造成更大的影响,半月板衬垫表面形貌相较标准步态磨损后表面形貌也发生了显著变化,出现了条纹图案和局部凹陷,这种表面形貌结果更接近于临床半月板衬垫取出物的表面形貌,目前对于人工膝关节假体的标准磨损测试方式不够全面,需要进一步改进整个测试的方案才能更好地体现体外磨损测试的意义.      

基于应力波传播机理的混凝土无损检测研究综述

混凝土结构在基础设施中应用广泛,但环境与荷载导致材料和结构的老化损伤问题,势必影响材料性能及耐久性和结构完整性及安全性．构建有效的混凝土材料性能评估和结构损伤识别体系是当前研究热点．现有研究因对应力波传播机理不深入理解、损伤定位定量模型理想化、损伤形式简化等问题仍存在局限性．因此,开发普适全面、稳定可靠的无损检测系统,对在建或既有混凝土结构服役状况进行长期、实时跟踪,具有重要学术意义和工程应用价值．本文结合混凝土无损检测领域的国内外研究现状及进展,从智能压电材料振动机理研究、混凝土无损检测方法发展、基于应力波的无损检测研究进展这三个逻辑层面,即按照研究手段到研究方法再到具体研究方案的顺序,循序渐进地对混凝土材料性能评估和结构损伤识别的研究进行了成果总结和方法提炼;基于此进一步概述了该领域所存在的瓶颈问题、研究重难点,最后提出了针对这些局限性的混凝土无损检测研究展望．     

个性化髋关节假体设计及其生物力学性能研究

通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足,易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体,基于人体下肢电子计算机断层扫描（computed tomography,CT）数据,通过逆向工程技术建立股骨实体模型,利用提取的关键特征参数逆向建模,建立个性化髋关节假体模型,采用步态试验确定股骨受力情况,进行有限元分析和电测实验研究其生物力学性能。结果显示,在站立中期的步态载荷下个性化髋关节假体的应力遮挡率在7.64%～38.71%之间,通用型髋关节假体应力遮挡率在16.66%～49.32%之间。个性化髋关节假体可以减小应力遮挡率,可为髋关节假体研究人员提供参考。     

高熵合金辐照硬化与力学性能研究

高熵合金由于多主元元素混合引起高熵结构效应，使其具有优异的物理、力学和化学特性，如高强度、高耐磨性、耐蚀性、热稳定性、优异的抗辐照性能等。然而，辐照诱发高熵合金材料的硬化行为和力学性能预测仍缺少相关研究，严重地限制了对其长期服役后材料性能的评估。基于晶体塑性理论结合实验结果，研究了空洞形状依赖的硬化行为、位错环诱发的硬化行为以及氧化物弥散增强的高熵合金力学性能。研究发现，考虑多面体空洞与位错的概率依赖的空间交互作用，能够更加准确地预测辐照金属的屈服应力；晶格畸变对屈服强度，有着重要的贡献；氧化物弥散相对位错运动起强烈钉扎的作用，从而对强度产生影响，直接决定抗辐照性能。高熵合金作为一种具有综合优异力学性能的新型结构材料，在先进核能系统中有望被广泛应用，比如核反应堆的核燃料包壳管。     

人工膝关节模拟试验机及其生物摩擦学性能评价研究进展

人工膝关节生物摩擦学模拟试验是在设计和制造阶段评价人工膝关节假体的主要方法.本文介绍了球面接触型、假体力和运动直接控制型及膝关节肌肉力重建型3类人工膝关节模拟试验机及其对应生物摩擦学研究现状,讨论了3类人工膝关节生物摩擦学试验的要求和特点,详细说明了现有人工膝关节生物摩擦学试验和测试标准,指出今后还需增加动物活体试验方式,扩大模拟人体运动测量范围,并应加强多因素同时作用下人工膝关节磨损机理研究,制定统一的人工膝关节生物摩擦学试验标准.     

复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估

牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.      

核环境下的摩擦、磨损与润滑

理解核环境下材料的摩擦、磨损与润滑问题对建设商用第三代核反应堆、发展新型四代堆以及验证未来先进聚变核能系统至关重要. 服役于核岛尤其是核反应堆一回路的机械部件及材料，不仅承受运动过程中循环应力及摩擦磨损，而且还要面对高温、腐蚀和辐射等极端环境，本文中针对反应堆中核环境下结构材料摩擦磨损问题，以及核环境下润滑材料特殊需求，总结了本领域研究进展及面临的挑战，并对推进及解决核环境下材料的摩擦、磨损与润滑研究提出了展望.      

人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展

人工关节长期磨损或离解产生的磨屑将引起一系列生物学反应,使关节假体产生无菌性松动进而影响人工关节置换术的长期疗效。研究人工关节假体运动过程中产生的磨屑形态、数量及其产生机理,对提高人工关节的耐磨性和使用寿命具有重要意义。本文中重点阐述人工关节材料磨屑分离与表征的研究进展,并对其发展趋势进行展望。     

植入假体后的股骨建模及有限元分析

目的:本研究建立股骨端髋关节置换有限元模型,并进行了静力学模拟计算,为寻求假体的个体化和假体加长、加粗等设计起到指导作用。方法:运用逆向工程与有限元的基本概念和理论,采用ANSYS V6.1对股骨进行静应力的计算。结果:通过完全适应髓腔假体和股骨的共同受力分析,发现股骨受力的主要部位在股骨距。结论:该模型符合国人的股骨上端生物力学特性,是一个较好的髋关节置换有限元模型,为进一步模拟翻修关节的临床实际奠定基础。     

列车车轮滚动接触疲劳裂纹评价研究

列车车轮踏面表层金属滚动接触疲劳是影响列车运行安全性和舒适性的核心科学问题. 借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和显微硬度计，通过开展列车车轮材料的标准滚动接触疲劳试验，将标准接触疲劳样品的损伤行为与实际服役车轮的损伤行为对比分析，研究了列车车轮的滚动接触疲劳裂纹评价方法. 结果表明:车轮表层金属接触疲劳开裂是表层金属累积塑性变形损伤的结果；标准滚动接触疲劳样品剥离坑的深度恰好等于硬化层的深度，实际服役车轮剥离坑的深度小于硬化层的深度；将车轮表面的滚动接触疲劳裂纹命名为“三角形指向性裂纹”；初步建立了车轮表面滚动接触疲劳损伤程度的定量评价方法.      

高熵合金辐照硬化与力学性能研究

高熵合金由于多主元元素混合引起高熵结构效应,使其具有优异的物理、力学和化学特性,如高强度、高耐磨性、耐蚀性、热稳定性、优异的抗辐照性能等。然而,辐照诱发高熵合金材料的硬化行为和力学性能预测仍缺少相关研究,严重地限制了对其长期服役后材料性能的评估。基于晶体塑性理论结合实验结果,研究了空洞形状依赖的硬化行为、位错环诱发的硬化行为以及氧化物弥散增强的高熵合金力学性能。研究发现,考虑多面体空洞与位错的概率依赖的空间交互作用,能够更加准确地预测辐照金属的屈服应力;晶格畸变对屈服强度,有着重要的贡献;氧化物弥散相对位错运动起强烈钉扎的作用,从而对强度产生影响,直接决定抗辐照性能。高熵合金作为一种具有综合优异力学性能的新型结构材料,在先进核能系统中有望被广泛应用,比如核反应堆的核燃料包壳管。     

服役飞机极端环境应力事故树分析方法

针对极端环境应力与飞机服役风险评估之间关系的复杂性和不确定性问题,采用事故树分析方法对服役飞机事故与极端环境应力相关性进行系统分析和探讨。首先基于极端环境应力导致飞机事故的相关数据库数据的统计分析,构建了飞机极端环境应力因素集及飞机极端环境应力事故树;然后根据极端环境应力作用机理分析及严酷度数学模型,计算极端环境应力导致飞机事故发生概率,评估极端环境应力直接相关严酷度,预测极端环境应力与飞机服役事故的关联度;最后总结形成了一种服役飞机极端环境应力事故分析方法。研究结果表明了积冰、雨、侧风、雾对服役飞机安全飞行影响极大,可为极端环境下飞机维保、签派及安全运营提供支持。