شبيه‌سازي عددي و تحليل حرارتي سوراخ‌كاري سطح يك استخوان استوانه‌اي شكل با استفاده از جت آب

كارشناسي ارشد

سوراخكارياستخوان يك عملجراحياستكه به¬طوركليبرايايجادسوراخدراسكلت انسان براي درمان شكستگيها، نصب ايمپلنتها يا معالجه درماني به شكلهاي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرد.روش متداول در سوراخكاري استخوان استفاده از مته مي¬باشد كه ناخواسته گرماي زيادي توليد ميكند و سبب افزايش درجه حرارت موضعي شده و پديده نكروزيس رخ ميدهد. اين پديده سبب خسارت گرمايي به استخوان و يا حتي التهاب مغز استخوان ميشود. استفاده از جت آب براي سوراخكاري استخوان به جاي روش¬هاي معمول يك مورد مناسب براي حل اين مشكل مي¬باشد. افزايش دمايي كه جت آب در طي فرايند ايجاد مي¬كند به بافت استخوان آسيب نميرساند، علاوه بر اين برش تميز و تيز، قابليت تنظيم دلخواه و اجازه استفاده از ابزار منعطف و سازگار را ارائه ميدهد. در اين پژوهش برخورد جت آب به سطح استوانه¬اي استخوان به¬روش عددي و درحالت سه بعدي،دوفازي،آشفته و گذرادر نرمافزار انسيس شبيه¬سازي و نرخ انتقال حرارت و فشار وارد بر سطح استخوان محاسبه گرديده است. سپس با استفاده از زير برنامه نويسيVDLOAD در نرم افزار آباكوس فرايند سوراخ¬كاري بر اساس فشار اعمالي توسط جت آب برخوردي روي سطح استخوانمطالعهشده است.بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه مدل آشفتگي تنش¬هاي رينولدزنسبت به ساير مدل¬هاي آشفتگي توانايي مناسبي در پيش بيني رفتار جريان دارد. نتايج شبيه¬سازي جريان نشان مي¬دهد كه با افزايش سرعت جت آب برخوردي از300 به 360 متر بر ثانيه عدد ناسلت 18.52 درصد و توزيع فشار روي سطح43.85 درصد افزايش مي¬يابند. در بررسي تاثير قطر نازل مشاهده شدكه افزايش قطر نازل از 0.7 به 1 ميلي¬متر، افزايش 77.19 درصدي عدد ناسلت و 70.37 درصدي توزيع فشار روي سطح را در پي دارد همچنين نتايج شبيه¬سازي تاثير فاصله¬ي برخورد، افزايش34.58 درصدي عددناسلتو 20.62 درصديتوزيعفشاررويسطح استخوان در اثر كاهش فاصله برخورد جت آب تا سطح از 3 به 1ميلي¬متر را نشان مي¬دهد. بيشترين مقدار انتقالحرارت در نقطه¬ي برخورد مشاهده شده است و با حركت جريان در طول استخوان به¬دليل كاهش گرادياندما مقدار عدد ناسلت كاهش مي¬يابد. با توجه بهنتايج،عددرينولدزوقطر نازل دو پارامتربسيار تاثير¬گذار بر ويژگي¬هاي جريان جت برخوردي مي¬باشند.در فرايند سوراخ¬كاري استخوان و تعريف پارامتر¬هاي شكست از مدل ماده جانسون-كوك استفاده شده است. نتايج نشان مي-دهد كه براي سوراخ كاري استخوان بايد فشار و تنش وارد بر سطح استخوان از تنش تسليم استخوان فراتر رود تا موجب سوراخ شدن و نفوذ در سطح گردد. شبيه¬سازي مشخص كرده است كه افزايش سرعت جت آب برخوردي، افزايش قطر نازل و كاهش فاصله¬ي جت آب تا سطح برخورد سبب افزايش فشار و در نتيجه افزايش تنش فون ميسز و كرنش پلاستيك معادل در سطح برخورد مي¬شوند. با توجه به نتايج به¬دست آمده مقدار تنش فون ميسز و كرنش پلاستيك معادل روي سطح استخوان فقط در ناحيه برخورد جت آببه حداكثر خود مي¬رسند و با حركت در طول استخوان و فاصله گرفتن از ناحيه برخورد از بين مي¬روند كه اين بيانگر قابليت بالاي كنترل جت آب در ايجاد سوراخ با ابعاد دلخواه بدون آسيب به اطراف حفره مي¬باشد.

230282

دانشگاه اصفهان

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

مسعود ضيائي راد