《扭矩负载对插入聚乙烯气瓶中的钢柱的拉出响应的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扭矩负载对插入聚乙烯气瓶中的钢柱的拉出响应的影响（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、扭矩负载对插入聚乙烯气瓶中的钢柱的拉出响应的影响摘要在各种植入物设计中使用的柱子有助于人造关节的短期和长期固定稳定性。本研究旨在研究扭矩负荷对插入高密度聚乙烯（HDPE）材料的钢柱的拉拔响应的影响。设计和制造了一种实验装置，以在拉拔，扭矩和组合转矩/拉出下初始过盈配合进行嵌入聚合物圆柱体中的钢柱的机械表征。为了分析预拉力矩对牵引载荷下后固定界面载荷传递的影响，我们选择了具有均匀机械和摩擦学特性的HDPE材料。在拉出负载下，发现HDPE界面处的微滑起始和扩展是渐进的，并且在界面处假设库仑摩擦，摩擦系数根据测量的拉出力计算。在扭矩负载条件下，发现扭矩从最大值突然下降到初始动态滑动扭矩值。界面的行为
2、类似于化学键合，并且确定静态和动态摩擦系数。已经发现在组合的扭矩/拉出条件下，除了最大拉出力的减小之外，预载施加的扭矩还产生了两个不稳定的内向行为。第一个发生在最大拉出力达到负载下降到从HDPE气缸后抽取所需的水平的情况。第二不稳定性在提取过程中发生，取决于预负荷施加的扭矩值的残余（临界）注入长度。后者的不稳定性标志着HDPE气缸相对于钢柱突然旋转。关键词：人造关节 接口 负载转移 粘附 摩擦拔出 扭矩1. 介绍 在加载过程中从基质到纤维的载荷1，2中纤维 - 基体界面对纤维增强复合材料机械性能的贡献主要与机械传递能力有关。这种负荷转移在牙科中用于固定牙齿上的陶瓷牙冠的牙科是非常重要的。柱也用
3、于各种种植体设计，有助于人造关节的短期和长期固定稳定性。未插入全关节置换术的长期表现取决于骨植入物固定的初始稳定性6-10。为了表征水泥 - 植入物界面的机械性能，Mann等。11在由水泥柱包围的金属杆的更简单的情况下使用贯穿试验。由于金属杆和水泥没有化学粘附，作者认为界面处的库仑摩擦力和界面垂直的残余应力是描述阀杆和水泥之间载荷传递所需的性能。Shirazi-Adl等人。12研究了具有不同表面粗糙度的金属柱的拉出响应，插入骨和聚氨酯材料中，并具有初始干扰。对于相同的测试条件，光滑表面柱的最大拉拔力远远高于多孔涂层柱的最大拉拔力。 Dammak等人。13研究了水平剪切载荷对插入聚氨酯材料的柱的
4、拉拔强度的影响。他们得出结论，平滑柱的轴向拉拔力不受剪切载荷的增加影响显着。然而，多孔涂层柱的轴向拔出力受到影响。这产生压缩，剪切和扭矩加载部件。为了进一步提供有关固定固定对初始稳定性的贡献的信息，本工作旨在分析预载荷施加扭矩对拉出载荷下后固定界面载荷传递的影响。考虑了具有均匀机械和摩擦学性能的高密度聚乙烯（HDPE）材料。在初始干涉下嵌入HDPE气瓶的钢柱上进行实验拉出，扭矩和组合扭矩/拉出试验。实验结果分析推断了HDPE界面后的微滑起始和传播机理，静态和动态滑动条件下后HDPE界面处的摩擦系数以及拉出和扭矩加载之间的协同作用。因此，插入HDPE材料中的柱的实验结果可以证明扭矩负载对拉出响应
5、的影响。 这种发现可用于改善各种植入物设计中的固定稳定性。2.材料和方法从商业HDPE板加工直径为50mm，长度为15mm的圆柱HDPE试样。然后在每个HDPE样品上钻出2r m = 10mm直径的孔。使用车床制造2r = 10.4mm直径的圆柱形钢柱。组装前用乙醇清洗HDPE样品和钢柱。 为了将柱塞推入预先挤出的HDPE圆筒，开发了安装在标准牵引压缩试验机上的实验试验装置。在这些条件下，后HDPE组件中的初始过盈配合（r= r-r m）为0.2mm，精度为0.001mm。同样的设备用于开发拉出测试。HDPE气缸的顶面被限制在固定在牵引压缩试验机的框架上的支架的外边界上。柱的头部被夹紧到直接固
6、定在牵引压缩试验机的横杆上的称重传感器（图1）。以5mm / min的恒定位移速度进行拉出试验。测量牵引压缩试验机和称重传感器跨栏的位移的位移计的输出被连续储存用于数据采集。 这使我们绘制出拉力 - 位移曲线（F-）。图1.安装在牵引压缩试验机上的拉出试验装置为了对后HDPE组件执行扭矩测试，将先前的测试装置安装在标准扭矩机上（图2）。我们使用止动螺栓来避免HDPE气瓶在其支架中的任何旋转。将固定器固定在转矩传感器上，并将柱头牢固地夹在扭矩机的卡盘上。旋转角度逐步施加，在每个步骤中注意到扭矩值。这使我们绘制扭矩 - 旋转角度曲线（C-）。对于每个拉出和扭矩测试，在相同条件下进行了至少五次实验。
7、组合的扭矩/拉出实验包括在拔出实验之前对后HDPE组件施加恒定值的预加载施加的扭矩，其低于最大支撑扭矩值。为了进行这些实验，安装在牵引压缩试验机上的拉出装置被稍微修改（图3）。HDPE样品架现在允许在负载轴线周围的机架上自由转动。然后将两根钢棒对称固定在支架上。 每个钢棒的末端使用在滑轮上通过的绳子附着到标记质量m。预加载扭矩（C a）值由下式给出：C a = 2mgR，其中g是重力加速度，R是后轴与连接杆的钢杆末端之间的距离。对于预加载力矩C a的每个值，在相同条件下进行至少五次实验。图2.安装在标准扭矩机上的扭矩装置图3.安装在牵引压缩试验机上的组合扭矩/拉出试验装置图4.典型的拉出力 -
8、 位移曲线3. 结果与讨论3.1在拉拔负载下的HDPE接口后的载荷传递分析。典型的拉出力 - 位移曲线（F-）如图4所示.由于在HDPE后界面没有化学粘附，所以在曲线的初始线性部分内发生部分滑移15。当施加的载荷增加时，微滑移区沿着界面继续传播。 当达到最大力F Max时，微滑移发生在整个后HDPE界面上（总滑移）。当提取的长度增加时，负载以规则的粘滑方式逐渐减小。1 测量的最大拉出力的平均值以及标准偏差见表1。我们的兴趣是从取决于样品几何的最大拉出力开发后HDPE界面的固有特性。所考虑的几何构型如图5所示。半径为r的柱嵌入长度为L的圆柱形HDPE样品的中心。与HDPE气瓶相比，假体太笨重。当
9、达到最大力F Max时，微滑移发生在整个后HDPE界面上。如果考虑到后HDPE界面的库仑摩擦，施加在柱上的力的平衡条件可以写成如下： (1)其中是后HDPE界面处的摩擦系数，是后表面上的压缩法向残余应力。后者可以通过以下关系与HDPE在界面处的正常位移u（r）（干涉配合r）有关16： (2)图5.拉出测试的几何配置图6.典型的转矩 - 转角曲线; C最大，最大扭矩; C i，初始动态滑动力矩。表2.最大扭矩C最大静摩擦系数，初始动态滑动转矩和后HDPE界面的动摩擦系数其中是HDPE的泊松系数的弹性模量和。使用压缩试验实验测量HDPE的弹性模量（），并且将HDPE的泊松系数假设为。界面参数和的值
10、以及标准偏差见表1。3.2 负载转移分析在后HDPE接口的扭矩负载非典型扭矩旋转角度曲线如图6所示。扭矩随着施加的旋转以线性方式增加，直到达到最大值，然后扭矩突然下降到新值。之后，随着旋转角度的增加，扭矩会在近似恒定的值附近发生一些波动。 从图6可以看出，在拉出负载情况下，HDPE界面处的微滑起始和传播不是渐进的。事实上，在扭矩负载下，接口的行为就像一种化学结合的接口，当施加的扭矩达到最大值（静摩擦）时，在整个后HDPE界面上进行脱粘。之后，随着旋转角度的增加（动摩擦），需要新的转矩水平来保持后HDPE界面处的滑动。测量的最大扭矩和初始动态滑动转矩以及标准偏差的平均值在表2中给出。我们的兴趣，
11、如在拉出负载的情况下，是开发柱的内在特性 -HDPE接口从最大扭矩值取决于样品几何形状。当达到最大转矩时，微滑移发生在整个后HDPE界面上（总滑动）。如果考虑到后HDPE界面的库仑摩擦，施加在柱上的力的平衡条件可以写成如下：其中是后HDPE界面处的静摩擦系数，是后表面处的压缩法向残余应力（等式（2）。在初始动态滑动过程中，施加在柱上的力的平衡条件可以写成如下：其中是后HDPE界面处的动摩擦系数。 界面摩擦系数和的值以及标准偏差见表2。图7.预载施加扭矩下的典型拔出力 - 位移曲线 最大，最大拉出力; ，初始提取力;，临界注入长度。3.3 在组合扭矩/拉出负载下，在HDPE后接口进行负载转移分析
12、如上所述，人造膝关节同时经受压缩，剪切和扭转载荷部件。因此，在组合扭矩和拉出载荷下分析我们的假体固定模型的机械性能是有趣的。在预加载施加转矩下的典型的拉出力 - 位移曲线如图7所示 。从该图可以看出，除了减小最大拉出力之外，恒定施加的扭矩在拉出行为中产生两个不稳定性。第一个发生在当负载下降到从HDPE气缸的后抽取所需的水平时达到最大拉出力的瞬间。第二不稳定性在提取过程中发生在残留（临界）注入长度，取决于应用值。后者的不稳定性标志着HDPE气缸相对于钢柱突然旋转。测试了三级预紧施加扭矩（1.2Nm，2.4Nm和3.6Nm）。 图8给出了最大拉出力作为预载施加转矩的函数的初始提取力的演变。和都与恒
13、定施加的扭矩增加相似的特征减小。为了理解在提取过程中发生的第二上述不稳定性，分析临界注入长度和预载施加转矩之间的依赖性似乎是有趣的。所测量的临界注入长度随施加的转矩而增加，如图9所示。从该结果可知，临界长度是后植入长度，这需要最大扭矩负载以在纯扭矩负载状态下在后HDPE界面处开始滑动。图8.不同施加转矩值的最大拉出力（实线）和初始提取力（虚线）的演变。图9 不同的施加的扭矩值的临界注入长度的演变4.结论本研究得出以下结论：在拉拔条件下，后HDPE界面处的微滑起始和扩展被发现是渐进的。在转矩加载下，发现后HDPE界面表现得像化学键合的那样。 对于这种负载条件，确定了静态和动态摩擦系数。在扭矩载荷
14、下获得的静摩擦系数与拉出载荷下的摩擦系数相一致。在组合的扭矩/拉出负载下，和力均随着的增加而降低。 在这种负载条件下，临界长度将对应于注入长度，其需要最大转矩以在纯转矩条件下在后HDPE界面处开始滑动。致谢作者要感谢萨夫萨斯技术研究所（突尼斯）助理教授M. Boujelbene先生的帮助。Effect of torque loading on the pull-out response of a steel post inserted in a polyethylene cylinderAbstractPosts are used in various implant designs to c
15、ontribute to the short- and long-term fixation stability of artificial joints. This study was undertaken to investigate the effect of torque loading on the pull-out response of a steel post inserted into high-density polyethylene (HDPE) material. An experimental apparatus was designed and fabricated to perform mechanical characterization of a steel post embedded in a polymer cylinder with initial interference fit under pull-out, torque and combinedtorque/pull-outloadings. Under pull-out loading, the
