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人工心瓣热解炭断裂性能研究

作　者: 李学鹏
导　师: 张建辉
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 机械工程
关键词: 人工心瓣各向同性热解炭有限元应力强度因子断裂韧性
分类号: R318.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本文内容是研究人工心瓣各向同性热解炭的断裂性能。各向同性热解炭是采用流化床化学气相沉积法制备的，热解炭的化学气相沉积是指碳氢化合物在气态条件下在反应装置中发生化学裂解反应，生成的碳原子重新沉积在加热的固态基体表面，最后得到热解炭的工艺技术。如果在制备的过程中沉入一定量的硅就成了含硅各向同性热解炭。两者都具有优良地抗血凝性及生物相容性，并且强度高、耐磨性好，在生物医学工程领域中被广泛应用，已经成为制备人工机械心瓣最重要的材料。由于制备工艺条件不够成熟及材料本身的脆性，导致人工心瓣热解炭存在孔隙、裂纹以及分层等缺陷，在体内持续载荷的作用下容易发生裂纹扩展甚至断裂，最终可能导致结构的失效，影响心瓣置换患者的生命。因此，分析人工心瓣各向同性解热炭的疲劳裂纹扩展以及断裂性能，对提高人工心瓣的可靠性起着非常关键的作用。本文对人工机械心瓣热解炭断裂性能进行研究。主要研究内容如下：（1）采用有限元软件ABAQUS和断裂分析软件FRANC3D（V6.0），对人工机械心瓣热解炭试样初始裂纹处应力强度因子计算，与基于实验基础的理论值比较，最大相对误差不超过3.0%，验证了计算的准确性。对初始裂纹大小、位置和形状对应力强度因子的影响进行讨论，结果表明：随着初始裂纹的扩大，应力强度因子也跟着增大；初始裂纹位于试样的边缘或者是中间对结果影响很小；半椭圆形裂纹长半轴与短半轴比值越接近1，计算结果越稳定。（2）简要概述了疲劳裂纹扩展门槛值在疲劳裂纹扩展中的重要性及它的测定原理和测定方法。根据作者对人工机械心瓣热解炭材料断裂性能的研究和总结，设计了一套测试人工心瓣热解炭断裂韧性实验程序和装置。（3）分析了气泡空化作用引起的人工机械心瓣表面的腐蚀现象，给出了在人工机械心瓣瓣片上引起的水柱压力公式。按照第一强度理论，采用有限元软件验证了人工心瓣瓣片承受力最大位置在瓣片和瓣片耳交汇区域处（称为耳肩）。（4）利用eFatigue在线软件计算人工机械心瓣热解炭试样疲劳裂纹扩展寿命，结果表明：初始裂纹尺寸对人工心瓣瓣片疲劳裂纹扩展寿命影响非常大，控制初始裂纹尺寸可大大提高疲劳裂纹扩展寿命；而脆性材料临界裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展寿命影响不大；随着循环应力比的减小，疲劳裂纹扩展速率减小，相应的疲劳裂纹扩展寿命延长。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-21
  1.1 人工心瓣概述  10-12
  1.2 人工心瓣的发展历史  12-13
  1.3 人工心瓣各向同性热解炭应用  13-16
  1.4 人工心瓣热解炭疲劳断裂研究现状  16-19
    1.4.1 人工心瓣热解炭疲劳断裂研究概况  16-18
    1.4.2 人工心瓣热解炭疲劳断裂研究中存在的问题  18-19
  1.5 本文主要的研究内容  19-21
第2章疲劳断裂研究的基本理论  21-29
  2.1 引言  21
  2.2 线弹性断裂力学理论  21-22
    2.2.1 裂纹类型  21-22
    2.2.2 应力强度因子和平面应变断裂韧性  22
  2.3 疲劳裂纹扩展速率 da/ dN测定原理  22-26
    2.3.1 疲劳裂纹扩展速率 da/ dN概念  22-23
    2.3.2 疲劳裂纹亚临界扩展的含义  23-24
    2.3.3 疲劳裂纹扩展的描述  24-26
  2.4 疲劳裂纹扩展的力学理论  26-27
  2.5 理论分析控制疲劳裂纹扩展的因素  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章人工心瓣热解炭裂纹前缘应力强度因子分析  29-39
  3.1 引言  29
  3.2 有限元法求解应力强度因子的理论基础  29-33
  3.3 人工心瓣热解炭裂纹前缘应力强度因子分析  33-38
    3.3.1 引言  33
    3.3.2 运用 FRANC3D V6.0 求解  33-36
    3.3.3 影响人工心瓣热解炭裂纹前缘 KI因素分析  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章人工心瓣热解炭 _(Kth)及 K_(IC)测定  39-44
  4.1 疲劳裂纹扩展门槛值测定  39-41
    4.1.1 引言  39
    4.1.2 疲劳裂纹扩展门槛值的测定原理  39-40
    4.1.3 力学性能参数与疲劳裂纹扩展门槛值的关系  40-41
  4.2 人工心瓣热解炭断裂韧性实验设定  41-43
    4.2.1 引言  41
    4.2.2 实验设定的技术背景和意义  41
    4.2.3 实验主要步骤  41-43
  4.3 本章小结  43-44
第5章人工心瓣瓣片疲劳裂纹扩展寿命分析  44-51
  5.1 损伤容限设计法在人工心瓣组件上的应用  44
  5.2 人工心瓣空化现象分析  44-47
  5.3 人工心瓣瓣片疲劳裂纹扩展寿命数值分析  47-49
    5.3.1 确定缺陷形状和大小  47
    5.3.2 人工心瓣瓣片疲劳寿命数值推导  47-48
    5.3.3 eFatigue 计算人工心瓣瓣片疲劳裂纹扩展寿命  48-49
  5.4 疲劳裂纹扩展寿命影响因素分析  49-50
    5.4.1 初始和临界裂纹裂纹尺寸因素分析  49-50
    5.4.2 循环应力比因素分析  50
  5.5 本章小结  50-51
第6章总结与展望  51-53
  6.1 本文研究的总结  51
  6.2 进一步展望  51-53
致谢  53-54
参考文献  54-57
附录  57

人工心瓣热解炭断裂性能研究

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