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1、附表三徐 州 师 范 大 学毕业设计（论文）开题报告及工作实施计划学 院 专 业 年级 、 班级 姓 名 冯恺伟 指 导 教 师 开题报告日期 徐州师范大学教务处印制一、毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目基于有限元分析方法的人工髋关节假体参数设计研 究 方 向课 题 来 源国家部委省市厂矿自选备注课 题 类 型理论研究应用研究工程技术跨学科研 究其他一、 课题综述及研究意义本次毕业设计的题目是“圆球窝压头结构，应力载荷有限元分析”。课题的目的是对球头窝的使用环境受力情况的分析。重点在于运用ANSYS软件分析钻杆受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元
2、分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的钻杆实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。所谓有限元分析是一种用较简单的问题代替复杂问题后再求解的过程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而
3、成为行之有效的工程分析手段。 所谓有限元则是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元
4、分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这也体现出了计算机应用技术的重要性。我们知道髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。人工髋关节假体是仿照人体髋
5、关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，人工髋关节假体的发展历程已走过很久。及至如今，人工全髋关节的技术研究已有一定成绩。人工髋臼和人工股骨头在过去均用金属，由于实践证明该设计并发症多，现已不用。目前国内外均用超高分子聚乙烯制成的髋臼，低强度模量金属制成的人工股骨头。人工全髋关节的类型和设计较多，主要是股骨头的直径和与骨固定的髋臼面的设计。这样的设计由于其较厚的髋臼，直径相对小的人工股骨头组成的全髋，头臼摩擦力小，人工臼
6、稳定，局部反应小。但是人工全髋关节置换术的并发症除有人工股骨头置换的并发症外，尚有人工髋臼的松动，脱位及负重区的超高分子聚乙烯面磨损后引发的局部反应，这些都是尚待解决的问题。假体的外形设计和手术中的安装、固定方法是现今研究的重点，针对这些方面国内外专家进行了很多的尝试。而通过有限元分析法以及相关软件的帮助，对于人工假体设计相信可以在一定程度上化简了研究的工作。二、 课题拟采取的研究方法和技术路线由于研究的内容是基于有限元分析方法的人工髋关节假体参数设计，而研究的主要结构为椭球窝结构。所以首先要在有限元分析软件ANSYS内完成椭球及椭球窝结构的建模。并且通过软件调查在不同的加载方式下球窝尺寸变化
7、以及球窝背衬尺寸变化。观察不同的加载方式：静载荷，动态载荷下，其模型受载荷而发生的的变化，并测得这中间的相关参数：应力，应变，变形，切应力。具体技术路线如下：首先，通过ANSYS软件对髋关节假体外形进行三维建模，这样就可以通过ANSYS进行有限元分析。在建模过程中，为了避免造成在有限元网格划分时出现过密网格，从而导致计算速度缓慢，可以将模型中的一些小结构，如小孔、小结构等简化掉，这样做不仅对模态分析结果的影响不大，而且可以提高软件的运算速度。其次，在进行有限元分析时，主要经过三个步骤：前处理、加载并求解、后处理。1前处理：是指创建实体模型以及有限元模型。包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限
8、元网格，修正模型等几项内容。2加载并求解：在求解前应进行分析数据检查，包括单元类型和选项、材料性质参数、同一的单位；材料类型的设置，质量特性等等。通过这些设置，计算机即可进行处理分析数据，从而得出髋关节假体的动态特性和静态特性。3后处理：可以通过它来观看整个模型在某一时刻的结果，或在不同阶段、子步上的结果。通过软件调查在不同的加载方式下球窝尺寸变化以及球窝背衬尺寸变化。观察在静载荷，动态载荷下，其模型受载荷而发生的的变化，测得其中的应力，应变，变形，切应力等相关参数。然后就是根据分析的结果进行一定的结构优化，在满足要求的基础上排除不必要的材料，选择性价比较高的材料，并化简结构来获得最佳设计。通
9、过有限元分析法以及相关软件的应用，介入人体假体的研究，从而对假体进行受力分析，可以对假体的形状，材料等进行分析，一方面化简研究过程，另一方面在节约时间的同时，也不会因此让其结果影响到研究的准确性。三、主要参考文献1 黄伯荣，廖序东主编，现代汉语（修订版），北京：高等教育出版社，1997年，P128467。 1 张洪信主编，有限元基础理论与ANSYS应用M，机械工业出版社，2006年，P1-11，P23-46。2 王崧，董春敏，金云平主编，有限元分析-ANSYS理论与应用M，电子工业出版社，2005年，P135-170，P498-529。3 Klaus Brun，Marybeth G. Nore
10、d，Ryan S. GernentzReciprocating Compressor Valve Plate Life and Performance Analysis J，Gas Machinery Conference，2005，P1-24 唐兴伦，范群波，张朝晖主编。ANSYS工程应用教程M，北京：中国铁道出版社，2002年，P60-70。 5 曾攀主编，有限元分析及应用M，清华大学出版社，200年，P3-5，P7-46。6 周传月，滕万秀，张俊堂主编，工程有限元与优化分析应用实例教程M，科学出版社，2005年，P1-9。7 Harold.Bcrawand，RossJ.KeplerChe
11、mical engineershand BookM，York：RDomelley&sons，1981，P4-128 刘坤主编，ANSYS有限元方法精解M，国防工业出版社，2004年，P92-98，P280-299。9 陈精一主编，ANSYS工程分析实例教程M中国铁道出版社，2006年，P2-4，P196-201，P340-358。10 唐兴伦，范群波，张朝晖主编，ANSYS工程应用教程M北京：中国铁道出版社，2002年，P60-70。11 刑静忠，王永岗主编，有限元接触与ANSYS入门M机械工业出版社，2004年，P23-31。12 胡仁喜，王庆五，闫石主编，ANSYS8.2机械设计高级应用实
12、例M机械工业出版社，2005年，P2-15，P22-42，P127-157。13 李黎明主编，ANSYS有限元分析实用教程M清华大学出版社，2005年，P30-35。二、毕业设计（论文）工作实施计划（一）毕业设计（论文）的理论分析与软硬件要求及其应达到的水平与结果有限元方法是数值计算中的一种离散化方法。用数学术语来说,就是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函（能量积分）的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解；从物理和几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域的发展和应用，其基本思想是将弹性体划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的
13、力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统，其求解方式现在有多种可利用的商业化软件，这里我们应用ANSYS软件系统。有限元分析步骤如下：第一步，问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步，求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步，确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问
14、题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步，单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。第五步，总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。第六步，联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组，联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单
15、元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价，并确定是否需要重复计。静力分析Ansys的大体步骤：1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；3、设定材料模型；4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其
