人工磁悬浮关节研究中的磁力计算

论文摘要

随着人民生活逐步迈入小康社会,我国人民的人均寿命不断增长,人们更加注重生活质量的提高和保证。关节炎、运动创伤、老龄化等因素导致的关节置换数量在逐年增加。因髋、膝关节是人体运动的主要负重关节,导致在关节置换中,髋、膝关节的置换居多。然而简单机械替代的人工关节存在着润滑不足、磨损严重、磨损颗粒诱导异体反应等问题,导致人工关节的使用效能和寿命远不如原生关节。本文把磁性材料引入人工关节,利用磁铁之间产生的斥力来减轻关节面的作用力,从而达到减轻关节摩擦磨损的目的。论文从人工关节的运动机理入手,分析了影响人工关节置换的主要因素,有针对性地引入磁性材料,结合医学上有关磁性材料对人体生物学的影响的研究,根据人体的特殊环境,选择人工关节的磁性材料,接着又从电磁场理论出发,分析磁力产生的原因,利用等效电流方法,多角度、多方案分析计算两加装磁铁的人工关节产生的斥力,从估算到精确计算,从理论到实验,找到磁性关节尺寸与斥力之间的关系,以及关节位置的改变如何影响加装磁铁关节的受力。最后利用Maple编出计算程序,描绘出斥力与间距的变化曲线,从而直观地反映出它们之间的变化关系。更好地为磁悬浮关节的设计做好准备,优化出加装磁铁的尺寸,

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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 骨科生物力学的概况
• 1.2.2 人工关节的的研究概况
• 1.3 本文的工作
• 第2章 人工关节置换材料
• 2.1 目前使用的人工关节置换材料
• 2.1.1 金属
• 2.1.2 超高分子量聚乙烯
• 2.1.3 陶瓷
• 2.1.4 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
• 2.2 磁性材料在医学上的运用
• 2.2.1 恒定磁场对生物体整体的影响
• 2.2.2 恒定磁场对机体组织、器官水平的影响
• 2.2.3 恒定磁场对生物体细胞及分子水平的影响
• 2.2.4 磁场的生物学影响机制与防护
• 2.3 人工关节永磁材料的选择
• 2.4 小结
• 第3章 磁力估算方法
• 3.1 磁性材料的主要参数
• 3.2 永磁材料的磁性的来源
• 3.3 磁力计算
• 3.3.1 磁力计算原理
• 3.3.2 吸引力的计算
• 3.3.3 理想磁路的气隙磁密
• 3.3.4 磁荷积分法
• 3.4 小结
• 第4章 磁力的数值计算方法
• 4.1 基本原理
• 4.1.1 微分形式的麦克斯韦方程组
• 4.1.2 亥姆霍兹定理
• 4.1.3 矢量磁位在恒定磁场中的运用
• 4.2 永磁圆柱的磁场
• 4.2.1 环形线电流的磁场
• 4.2.2 永磁圆柱的磁场
• 4.3 两圆柱磁铁之间的斥力
• 4.3.1 下部分磁铁产生的磁场
• 4.3.2 上部分磁铁产生的磁场
• 4.3.3 计算分析
• 4.4 两大小不等的的磁铁间的斥力计算
• 4.5 两相等磁铁在倾斜状态时的磁力计算
• 4.6 数值计算与磁力估算的结果比较
• 4.7 小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 实验器材
• 5.2 实验设备
• 5.3 实验方案和器材
• 5.4 实验结果
• 5.5 实验分析及与理论结果比较
• 5.6 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 人工磁悬浮关节的意义及可行性
• 6.3 建议和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果