人工磁悬浮关节中磁力的有限元分析

论文摘要

随着社会的不断发展,人们更加注重生活的质量。与此同时病变、剧烈运动等原因导致很多严重关节问题,这就需要进行关节置换。置换后的人工关节和正常的关节毕竟不同,由于摩擦磨损等原因导致人工关节的使用寿命不长久,那么为了尽可能的延长人工关节的使用寿命,就必须减少摩擦磨损。本文在陈庆仕等人研究的基础上对磁悬浮人工关节的可行性及磁体模型的选择问题作了进一步研究。本文仍然考虑简化的磁悬浮关节模型,选择了柱形、半球形和圆柱壳形模型进行研究,并与陈庆仕的结果和最新的实验结果进行了比较。考虑到理想磁路法理论是一种理想的情形,本文的研究是从Maxwell-般电磁理论出发、采用有限元方法进行的,所采用的模型和所得结果更加符合可能采用的磁悬浮关节的实际情况。本文还计算了呈不同角度的两磁体间的排斥力,对磁悬浮人工关节的可行性作了更充分的论证。本文结果表明：有限元计算的结果较理想磁路法的更为精确；同等永磁体质量的情况下,产生磁力的效率（单位面积上的磁力）依次为半球形、柱形和空心柱形,特别是当对表面的曲率半径减小时近距离（1mm左右）的磁力会随距离减小而减小,这意味着永磁体表面的曲率半径必须选择大于某个尺度；此外,随着永磁体对面夹角的增加,Y方向的斥力有较大的减少。基于以上结果,本文认为可以制造出真正意义上的人工磁悬浮关节。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 国内外有关研究的综述
• 1.2.1 骨伤生物力学和人工关节研制的发展史
• 1.2.2 人工关节的设计、研究概况
• 1.3 人工关节置换材料
• 1.3.1 金属
• 1.3.2 陶瓷
• 1.3.3 超高分子量聚合物
• 1.3.4 磁性材料对人体的影响
• 1.4 人工磁悬浮关节的研究情况
• 1.5 本文的工作
• 第2章 人工关节磁力计算的理论基础
• 2.1 磁性材料
• 2.2 磁场和磁场力
• 2.3 永磁体磁场力计算的一般理论和计算方法
• 2.3.1 磁力计算的一般理论
• 2.3.2 矢量磁位在恒定磁场中的运用
• 2.3.3 有限元分析方法
• 2.3.4 有限元基本步骤
• 2.4 小结
• 第3章 人工关节圆柱体形磁铁的理论分析
• 3.1 人工关节引入的磁铁模型
• 3.2 圆柱形磁铁磁力计算的理想磁路法
• 3.2.1 圆柱形磁铁磁力计算理论
• 3.2.2 圆柱形磁铁的理论分析示例
• 3.3 其它形状理论分析的困难
• 3.4 小结
• 第4章 人工关节不同形状磁铁的磁力有限元分析
• 4.1 圆柱形磁铁的有限元分析
• 4.1.1 圆柱形磁铁轴对称模型
• 4.1.2 圆柱形磁铁成角度时的排斥力
• 4.2 半球形磁铁的有限元分析
• 4.2.1 半球形磁铁轴对称模型
• 4.2.2 圆柱形磁铁和半球形磁铁轴对称模型比较
• 4.3 环形磁铁的有限元分析
• 4.3.1 环形磁铁轴对称模型
• 4.3.2 圆环形磁铁最优内径
• 4.4 三种形状磁铁计算结果的比较
• 4.5 小结
• 第5章 对有限元计算结果的实验验证
• 5.1 实验目的和方案
• 5.2 实验器材和设备
• 5.3 实验过程
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 实验结果数据处理
• 5.4.2 实验结果比较分析
• 5.5 小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 总结
• 6.2 建议和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢