人造骨骼的案例
計(jì)算機(jī)仿真分析預(yù)測，將人造骨骼植入患者體內(nèi)，經(jīng)過數(shù)十年的磨損、沖擊后，到底會不會老化損壞
通過外科手術(shù)將人造骨骼植入人體內(nèi)，替代原來的生物骨骼，被認(rèn)為是新科技帶了的醫(yī)療福音，但是，當(dāng)這些人造骨骼在患者身體內(nèi)長期服役，受到持續(xù)十年以上的磨損、沖擊以后，它們會不會老化、變形，甚至損壞，這就不僅僅是一次外科手術(shù)的問題，通過工程仿真模擬技術(shù)，可以探尋這一問題的答案。比如，越來越多運(yùn)動員由于長期勞損，需要植入人造髖關(guān)節(jié)，醫(yī)生和工程師們可以使用CAE工程仿真軟件，對從陶瓷到金屬合金的各種人造骨骼材料進(jìn)行數(shù)字化仿真測試，分析預(yù)測包括磨損、沖擊和振動在內(nèi)的各種性能變化，并設(shè)計(jì)出最佳的個(gè)性化方案。
髖關(guān)節(jié)假體的機(jī)械應(yīng)力
仿真軟件已經(jīng)被越來越多用于各種醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)開發(fā)，以確保醫(yī)療設(shè)備的安全使用，有助于提高醫(yī)療設(shè)備的可靠性，包括那些需要組裝的設(shè)備。
然而，對于涉及到人造髖關(guān)節(jié)的外科醫(yī)生來說，仿真可以集中在人造股骨頭和它所占據(jù)的腔體的微觀分離上。在長期連續(xù)使用時(shí)，該結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致沖擊，增加人造骨骼的磨損。
髖關(guān)節(jié)假肢極端負(fù)荷的仿真模擬測試
首先，人體骨骼的特點(diǎn)在于其形狀的復(fù)雜性和不規(guī)則性，難以用確切的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述，使用仿真軟件對骨骼和肌肉的三維幾何和材料參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模，研究包括在極端意外載荷下模擬人造骨骼的運(yùn)動和受力。比如，模擬在9ms內(nèi)的瞬間，骨骼受到9千牛頓沖擊力后的影響。如果患者從一個(gè)很高的高度墜落，如一段樓梯，就會看到類似的負(fù)荷狀態(tài)。仿真計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確地預(yù)測了接觸區(qū)域和股骨頭與腔體的分離。
其次，仿真軟件能夠預(yù)測人造骨骼在意外事故中的變形和結(jié)構(gòu)損傷，這一結(jié)果可以用來優(yōu)化人造骨骼的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對抗意外負(fù)荷的抵抗力，保證其能夠長期在人體內(nèi)正常工作。
仿真技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊
過去幾十年，仿真軟件已經(jīng)證明了它在汽車、航空航天、能源和電子行業(yè)的巨大價(jià)值。
展開 Abaqus點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元拓?fù)鋬?yōu)化
比如，為什么動物的骨骼十分堅(jiān)硬，但卻比較輕，具有很高的比強(qiáng)度和比剛度？
原來，骨骼的微觀形態(tài)具有胞元結(jié)構(gòu)模式，下面是在掃描電子顯微鏡下，人類骨骼呈現(xiàn)出的胞元結(jié)構(gòu)。
人類骨骼微結(jié)構(gòu)
02. 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
剛才介紹的胞元結(jié)構(gòu)的前三種形式工藝上比較好實(shí)現(xiàn)，比如蜂窩紙板的紙芯可以拉伸定型；蜂窩鋁板的鋁芯可以輥壓成型，然后膠合；開、閉孔泡沫結(jié)構(gòu)都有比較成熟的發(fā)泡工藝。
而對于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)呢？傳統(tǒng)制造的加工方式不太適用，這個(gè)時(shí)候就需要全新的增材制造方法-3D打印了。
最近幾年3D打印實(shí)在是太火了，現(xiàn)在很多的三維建模軟件的最新版本都增加了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的建模，甚至是分析。
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，用戶可以在模型庫里隨意調(diào)用常用的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元模式。
常用的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元模式
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)鋁合金的壓縮曲線
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，還能減震、吸能，隔熱、降噪，非常適合模擬人類骨骼，所以醫(yī)療上通常用于人造骨骼植入人體。
點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
03. 基于ATOM的胞元拓?fù)鋬?yōu)化
為了獲得某種點(diǎn)陣胞元的具體結(jié)構(gòu)形式，我們可以通過ATOM拓?fù)鋬?yōu)化的方式來實(shí)現(xiàn)。
比如，我們期望結(jié)構(gòu)比較抗壓，可以在分析時(shí)將載荷考慮為胞元靜水壓力形式的載荷（僅作用于預(yù)設(shè)的構(gòu)架連接區(qū)域）。
模型的載荷設(shè)置
將用于進(jìn)行胞元拓?fù)鋬?yōu)化的原體中心置于坐標(biāo)系原點(diǎn)，并施以關(guān)于三個(gè)坐標(biāo)平面的對稱約束，優(yōu)化設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)是應(yīng)變能，使其最小化，約束為體積響應(yīng)，使其最終小于等于10%的初始體積。
胞元優(yōu)化結(jié)果
Abaqus可以按照最佳傳力路徑布置材料，從而優(yōu)化出胞元結(jié)構(gòu)，我們可以將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)出，用于二次設(shè)計(jì)或有限元分析。
展開 鎂基非晶合金的研究進(jìn)展
研究表明，人骨的彈性模量大約為10~30GPa，而現(xiàn)在所用的人工植入材料主要有鈦合金、鈷-鉻合金、不銹鋼以及人造羥基磷灰石，其中前3種材料的彈性模量都在110GPa以上，人造羥基磷灰石的彈性模量相對較低，但是也在70GPa以上，仍然比正常人骨高出許多，這就有可能導(dǎo)致植入后產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，對人骨產(chǎn)生二次傷害。
由圖1可知，Mg基非晶合金的彈性模量在50GPa以下，這和人骨的彈性模量更接近，且Mg是人體中必須的微量元素，因此Mg合金及Mg基非晶合金適合作為人造骨骼材料而在醫(yī)學(xué)臨床上獲得應(yīng)用。
由于Mg是活潑金屬，且自身脆性大，Mg基非晶合金的制備工藝尚待完善，其大規(guī)模生產(chǎn)和使用受到了限制。但經(jīng)過學(xué)者的不斷努力探索，相信不久的將來，Mg基非晶合金一定能夠作為結(jié)構(gòu)材料和生物醫(yī)用材料獲得廣泛應(yīng)用。
來源：有色金屬材料與工程 2018年第39卷第4期 付振闖 李強(qiáng) 常春濤 劉芳 王新敏 潘登《鎂基非晶合金的研究進(jìn)展》
展開 一文了解玻璃陶瓷
目前，主要用作牙齒材料、人造骨骼、鐵磁性抗癌材料等。
圖 玻璃陶瓷全瓷牙產(chǎn)品，圖片來自名揚(yáng)牙科
4
航空航天及軍事領(lǐng)域
有些微晶玻璃陶瓷材料極為堅(jiān)固耐用，耐受極高的溫度，極強(qiáng)的耐腐蝕性和極低的熱底脹系數(shù)的特點(diǎn)，并且可被雷達(dá)波穿透，可用于制造對空導(dǎo)彈彈頭和雷達(dá)外罩。
圖 玻璃陶瓷用于導(dǎo)彈彈頭，圖片來自康寧生命科學(xué)
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光學(xué)領(lǐng)域
微晶玻璃通常沒有氣孔,且含有一定的玻璃相,因此它可以具有良好的透明性,其中,以β·石英為主晶相的LOA2O3·SiO2系統(tǒng)微晶玻璃具有接近零膨脹的特性,其線膨脹系數(shù)為(0±002×10-6)℃C-1.這類微晶玻璃通常用作天文望遠(yuǎn)鏡的鏡片。目前世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡用的微晶玻璃鏡片直徑為82m。
圖 微晶玻璃可以用作天文望遠(yuǎn)鏡的鏡片（網(wǎng)絡(luò)圖）
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建筑領(lǐng)域
建筑微晶玻璃作為新型綠色裝飾材料，成為世界上最具有發(fā)展前的建筑裝飾材料，其裝飾效果和性能均優(yōu)于玻璃磚、花崗巖和大理石板材等微晶玻璃耐酸耐誠堿性、抗凍性、耐污性能優(yōu)異,無放射性污染，鏡面效果良好質(zhì)輕可作為結(jié)構(gòu)材料。
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鋁合金、鋅合金、鎂合金、鈦合金對比
在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo，適于作為植入物植入人體，如人造骨骼，血管支架等。
TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、血管支架、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。
鈦合金制品可以通過壓鑄和機(jī)械加工方法得到。鈦合金熔化溫度很高，對于模具鋼材要求也較高。鈦合金機(jī)械加工的方法很多，主要包括：車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。
鈦合金機(jī)械加工性能同樣不佳。鈦合金切削加工時(shí)切削力只是略高于同等硬度的鋼，但大多數(shù)鈦合金熱導(dǎo)率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16，因此切削產(chǎn)生的熱量不會迅速散走，聚集在切削區(qū)域，導(dǎo)致刀具刃口迅速磨損，崩塌和生成積屑瘤。
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