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关键词： 风力机叶片   DPM离散相模型   RNG k-ε湍流   沙粒   磨损率  

摘要： 叶片是风力发电机组中风能转换利用的核心部件,然而风中挟带的沙粒对叶片造成冲蚀磨损成为了风沙环境下风力机叶片使用年限降低的关键因素。本文首先借助Solidworks软件对翼型为NACA63(2)-215的水平轴风力机进行三维建模。然后利用Fluent软件中的DPM离散相模型和MRF多重参考模型相结合的方式,通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解沙粒的运动轨迹。最后研究多因素对叶片磨损率、磨损位置、沙坑磨损深度以及翼型气动性能参数的影响,并通过极差分析找出多因素影响叶片磨损特性规律。结果表明:(1)处在低风速流场的沙粒在出口位置流出时,大多分布在下半区;低转速工况下的沙粒运动状态相较于高转速更缓;受迎风方向影响,相同沙粒的运动轨迹差异明显。(2)风速因素影响下的叶片压力面磨损主要分布在相对位置为84%处的叶片中段(L-L界面),而叶片吸力面的磨损多分布在叶片的前缘;随着风速的增加,叶片表面的磨损率呈增加趋势;沙粒粒径为300μm时叶片表面磨损最为严重;粒径较大的沙粒,阻力系数相对较高;不同质量流量对叶片表面的磨损呈现出位置相同且磨损率成比例;同升力系数相比,阻力系数会随着沙粒质量流量增加略有增大。(3)叶片表面最大磨损率随着转速的增加呈现上下波动,其中最大磨损率峰值出现在15rpm;受迎风方向的影响,叶片吸力面靠近叶尖部分会出现集中磨损区域,其中磨损最严重的是正面30°,磨损位置在(0.29m,0.1m,-36.66m);5种因素在影响磨损率时的优劣排序为沙粒粒径>风速>沙粒质量流量>转速>迎风方向,磨损最严重的组合是风速为20m/s、沙粒粒径为300μm、沙粒质量流量为10kg/s、风力机转速为15rpm、迎风方向为正面30°。该论文有图60幅,表19个,参考文献62篇。

关键词： 推力圆柱滚子轴承   凹坑型织构   位置分布   有限元仿真   摩擦性能   贫油   干摩擦  

摘要： 随着机械设备自动化程度的日益提高,对设备的寿命、可靠性以及安全性的要求也日益严格。推力圆柱滚子轴承作为滚动轴承的一种,通常在高载荷、高转速、高应力的恶劣环境下运转。为了提高滚动轴承的摩擦磨损性能,延长轴承的使用寿命,本文通过对推力圆柱滚子轴承凹坑织构化处理,结合仿真分析与试验验证,对轴承的摩擦磨损性能进行了评估。首先,应用ANSYS Workbench对不同位置分布的凹坑织构化轴承进行静力学分析,得到了不同位置织构分布轴承的等效应力分布规律,并分析了倒角对推力圆柱滚子轴承等效应力以及接触应力的影响。研究结果表明:滚子与滚道的接触应力由两端向中间递减。凹坑织构会增加边缘应力,因此织构化轴承的轴圈与滚子中间接触区域的等效应力呈“山峰”状。由于倒角可以减小应力集中,加强零件的强度。通过仿真分析发现,0.2mm倒角极大的能起到减小应力集中的作用。其次,为了研究在贫油润滑条件及干摩擦条件下推力圆柱滚子轴承的摩擦磨损性能以及摩擦学规律,本文提出在轴圈表面制备8种不同位置分布的凹坑织构,利用万能摩擦磨损试验机对不同润滑条件及不同位置分布的织构化轴承进行试验,采用电子天平称量轴圈的磨损量、三维非接触式形貌仪对磨损表面进行表征,最后运用Origin软件对试验结果处理分析。试验结果表明:在贫油润滑条件下,凹坑织构能起到储存润滑油的作用,为轴承提供“二次润滑”。在阵列角度为1.5°的织构分布中,1/4外侧分布的轴承摩擦性能较好,平均摩擦系数比无织构轴承降低46.6%,磨损量比无织构轴承减低16%;3/4内侧分布的轴承摩擦性能较差;阵列角度为2°分布的轴承恰恰相反。通过表面表征分析发现尼龙膜的分布和凹坑的位置、参数以及面积率无关,主要分布在外侧区域。高温区主要集中在中间和两侧区域。在干摩擦条件下,凹坑织构会起到储存尼龙磨屑的作用,由于尼龙具有良好的力学性能、耐磨性和自润滑性,可以有效降低摩擦系数。尼龙膜可以隔离滚动体和轴圈的直接接触,减小轴圈的磨损。其中,在阵列角度为1.5°的织构分布中,1/4外侧织构分布的轴承摩擦性能最好,在摩擦磨损过程中能起到积极的减磨作用,3/4内侧织构分布的轴承摩擦性能最差,磨损量最高,内侧有明显的疲劳剥落。织构化轴承的设计为提高轴承的寿命以及可靠性提供了有效的方法。

关键词： CFD-DEM   流动方向   磨损   颗粒运动   弯管结构改进  

摘要： 管道系统被广泛应用于固液两相输送过程,其中固体颗粒的存在容易使得管壁出现磨损失效,严重影响到两相混合输送的可靠性,因此对两相流动及磨损之间的关系进行研究显得非常重要。管道系统中两相介质的流动方向会根据实际的输送需求和安装要求进行调整,而不同的流动方向对管壁的磨损程度和磨损区域有着不同的影响,但这方面的研究尚不够充分。本文基于数值计算方法和实验方法,对两相混合介质在不同流动方向工况下的弯管壁面磨损进行了研究。首先研究了不同流动方向下标准90°管道中的严重磨损位置,并对其磨损速率进行预测;然后在此基础提出了两种降低磨损的弯管结构改进方案。主要的研究内容如下:(1)使用CFD-DEM耦合方法对不同流动方向下标准弯管内部的固液两相流动与弯管壁面磨损进行了计算,揭示了颗粒在管道中的运动规律,并探究了颗粒与流场相互作用产生的影响。发现在θ=0°方向下弯管最大磨损速率最大,而在θ=180°方向下弯管最大磨损速率最小;碰撞次数、壁面能量损失以及壁面平均积累力共同影响着弯曲段壁面最大磨损速率。(2)搭建了固液两相弯管磨损实验平台,进行了五种流动方向下标准90°弯管的磨损实验。颗粒浓度的变化范围是1%-10%,颗粒粒径为2mm。通过对数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了CFD-DEM耦合方法的有效性,并确定了θ=0°方向和θ=180°方向下,弯管弯曲段壁面上的最大磨损区域范围。(3)根据标准90°弯管的磨损规律研究结果,提出了两种结构改进弯管。分析两种改进弯管内流场的变化规律、颗粒运动特性、弯管壁面磨损区域分布,结果发现在一定情况下两种改进弯管均能降低弯管壁面的整体磨损。在浓度小于4%时堵塞三通型弯管会起到降低壁面磨损速率的作用,带涡流室型弯管则在浓度大于7%时才会起到降低壁面磨损速率的作用。还发现碰撞次数、壁面能量损失以及壁面平均积累力影响着两种改进弯管整体壁面的最大磨损速率。由于堵塞三通段和涡流室的存在,运动到这两处的颗粒需要获得更多的能量来加速运动到出口段。(4)在θ=0°流动方向下,堵塞三通型弯管的磨损区域主要在堵塞三通段和出口段的交界处。带涡流室型弯管的磨损区域主要集中在涡流室和弯曲段的交界处。随着颗粒浓度的增大,磨损区域均会向外延伸,磨损现象变得更加明显。

关键词： 高速列车   摩擦材料   组分   粉末冶金   摩擦磨损  

摘要： 铜基粉末冶金材料是高速铁路列车最常用的刹车闸片材料,其优异的摩擦性能主要来源于铜基体、增强组元、摩擦组元和润滑组元的协同作用。随着高铁列车运行速度的不断提高,闸片将受到更高的压力、剪切力和热载荷。为制备出高性能制动闸片以适应更加恶劣的制动条件,需对各组元在制动过程中的作用机理和对摩擦膜演变过程的影响进行系统性分析与研究。本文通过组分设计对摩擦材料成分进行调控,采用缩比销盘实验,结合显微硬度计、扫描电镜、能谱仪和激光共聚焦显微镜等手段对磨损表面进行表征,研究了各组元对材料摩擦磨损性能的影响,为成功制备满足高速铁路列车制动要求的粉末冶金闸片奠定基础。具体如下:研究了铁粉种类和含量对铜基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果显示磷铁与基体的湿润性较差,羰基铁更适合用于增强基体。羰基铁含量的提高有利于摩擦膜的形成,但过量的铁粉会产生大量的铁的氧化物,使得摩擦膜松散、易剥落;滑动速度增大会促进物质的逸出,使摩擦表面难以形成较厚的摩擦膜;滑动速度越快,应力越高,摩擦膜越容易产生裂纹,导致磨损损失迅速增加。研究了石墨种类和含量对铜基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明,适当的引入胶体石墨对摩擦膜的显微硬度和抗塑性变形能力有显著影响,胶体石墨易与铁反应形成渗碳体。渗碳体强度高,亚表面渗碳体对摩擦面起着强大的支撑作用,同时渗碳体参与了摩擦膜的形成,增强了摩擦膜的强度。但是过多的胶体石墨对基体的连续性破坏较大。胶体石墨含量为1%镀铜石墨含量为19%时,在350 km/h高速制动下,具有较好的摩擦学性能。研究了铬铁种类和含量对铜基复合材料摩擦磨损性能的影响。发现含有粗铬铁的摩擦材料,在制动速度超过250 km/h后磨损十分严重。摩擦材料的硬度随着粗铬铁含量的增加而降低,只含细铬铁的摩擦材料基体硬度达到16.95 HBW,而只含粗铬铁的摩擦材料基体硬度只有10.72 HBW,仅含细铬铁的摩擦材料能够使得摩擦系数更平稳。综合考虑选取10%含量细铬铁作为摩擦组元。本文研究依照粉末冶金工艺,通过对高速列车制动摩擦材料成分(增强、润滑和摩擦组分)配比研究,制备不同的摩擦材料试样,对试样小样在模拟高铁刹车工况下进行耐磨性、摩擦系数及稳定性测试,并对组分的结合界面进行微观观察,筛选出综合性能最优的高铁制动摩擦材料配方,对制备满足要求的高铁刹车片具有指导意义。

关键词： 508Ⅲ钢   硬质合金刀具   刀具磨损   力-热特性  

摘要： 水室封头是核电站蒸汽发生器的重要组成部件,其主要材料为高强度钢508Ⅲ钢,属于难加工材料,目前一般应用涂层硬质合金刀具进行铣削加工。铣削508Ⅲ钢材料时切削参数大、冲击作用强,刀具切削力、切削温度变化明显,在低循环和高冲击的热-机械载荷作用下,微裂纹、微孔洞等损伤微结构不断发生、演化、扩展,最终导致刀具磨损严重,刀具消耗量大,加工效率低。因此针对以上问题进行铣削508Ⅲ钢材料硬质合金刀具力-热特性及磨损研究。首先,利用DEFORM软件进行切削力、切削温度仿真研究,探讨切削力变化规律和刀-屑接触区切削温度变化趋势;运用ANSYS软件进行铣刀具热-力耦合仿真研究,分析刀具温度场、应力场和总变形场分布特点,为从力-热角度解释刀具磨损提供参考依据;进行刀具磨损仿真分析,分析刀片前、后刀面磨损变化规律,为铣削508Ⅲ钢刀具磨损实验参数选择提供依据。其次,进行铣削508Ⅲ钢切削力与切削温度实验,分析影响切削力和切削温度的因素,确定影响因素的主次关系,建立铣削温度模型;通过分析刀片前刀面切削热来源,建立前刀面刀-屑接触区切削温度模型并进行验证;结合经典直角切削力模型,建立考虑有月牙洼磨损的切削力模型,为刀具磨损特性研究奠定理论基础。进而,进行铣削508Ⅲ钢硬质合金刀具磨损实验,探讨刀具磨损量与切削速度的关系,观测硬质合金刀片前、后刀面磨损形貌,探究磨损变化规律和特点,分析刀片主要磨损形式及产生原因,剖析磨损行为本质,揭示铣削刀具磨损机理。最后,绘制刀具磨损曲线,分析切削速度对刀具磨损的影响;运用灰色GM模型进行刀具磨损量预测并优选准确度最高的预测模型;基于刀具磨损最小从刀具材料、涂层及结构方面进行刀具优化设计。本研究对于降低刀具磨损速率、延缓刀具失效和提高加工效率具有较重要的实际意义。

关键词： Ti4Al N3   层状   相形成   腐蚀   磨损  

摘要： 三元层状金属陶瓷MAX相的出现弥补了金属材料易氧化和易腐蚀及陶瓷材料可加工性差和脆性大等缺点,目前研究MAX相体系中最多的有:Ti-Si-C、Ti-Al-C和Ti-Al-N,相较于前俩者,对Ti-Al-N体系研究较少。Ti-Al-N体系中有TiAl N、TiAl N和TiAl N。TiAl N仅在烧结温度1000℃左右会出现,温度继续升高,其发生分解反应。近年来,关于TiAl N的报道越来越多,而关于TiAl N的报道较少,其原因是TiAl N在Ti-Al-N三元相图中的区域十分狭小,对原料的配比和温度要求十分苛刻,若不严格控制工艺参数,产物中将出现大量杂质相,如Ti-Al金属间化合物、Ti N和TiAl N。本文利用真空热压炉,采用正交设计法优化合成高纯TiAl N块体材料作为第一个研究重点。第二个研究重点是采用TG-DSC、XRD、SEM和EDS从多个角度探究分析TiAl N相的形成与分解过程。最后一个研究重点是对合成的TiAl N材料的性能进行细致的分析,如不同温度下材料抗热震性的差异、不同摩擦频率与载荷下的摩擦磨损特性及磨损机理和不同腐蚀液对材料耐腐蚀性的影响。针对以上三个研究重点,研读大量文献的基础上设计了实验,得出如下结论:(1)合成高纯TiAl N的最优工艺为烧结温度为1400℃、施压强度为30MPa、保温时间为2h、Al含量为23.1at.%,Ti N含量为55.1at.%。(2)TiAl N相形成与分解过程与其层结构密不可分,随着温度的升高,先生成Ti-Al合金,再形成TiAl N相,最后Ti N插层进TiAl N形成TiAl N。TiAl N在高于1400℃通过从其晶体层结构的升华或去插入来直接分解成非化学计量的Ti N。(3)在酸碱溶液中100天的浸泡实验表明,TiAl N的耐碱性比耐酸性要好得多,在Na OH溶液中只发生晶界腐蚀,而在HNO溶液中腐蚀严重,试样表面凹凸不平,出现大量孔洞。(4)磨损机制以粘着磨损和磨粒磨损为主,载荷较大时出现疲劳磨损。在磨损过程中,积累的摩擦热会引起的表面氧化进一步生成Ti O和AlO氧化膜。(5)TiAl N在600℃热震时没有产生裂痕,更无剥落现象发生;700～800℃时,热震损伤表现为开裂,TiAl N在900℃热震时,热震损伤表现为氧化层剥落。

关键词： 纳米结构复合膜   微观结构   力学性能   抗氧化性能   摩擦磨损性能  

摘要： 磁控溅射制备的MoN基薄膜因具有优异的高温自润滑性能而在航发、热核及模具等诸多领域体现出了广阔的应用前景,成为当今固体润滑材料的重要组成部分。但高温环境下润滑剂的过渡消耗限制了这类材料进一步应用。为解决这一瓶颈问题,本文基于课题组前期研究成果,以具有最优高温自润滑性能的二元MoN和最优宽温域自润滑性能的三元MoN/Cu薄膜为对象。基于胶囊缓释思想,利用磁控溅射技术,通过非晶SiN包裹各润滑相(MoN和/或Cu),以实现在三维空间内对各润滑剂的保护和缓释,设计并制备了一系列的MoN/SiN及MoN/Cu/SiN纳米结构复合膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米力学综合测试系统、热重分析仪(TG)和摩擦磨损试验机等表征设备研究SiN相对薄膜微结构、力学、高温抗氧化和摩擦磨损性能的影响。通过揭示摩擦过程中SiN保护相和MoN和/或Cu相的相互作用,获得基于各摩擦反应生成物的宽温域自润滑行为规律,为设计和制备具有优异耐磨损性能的宽温域自润滑MoN基薄膜提供实验支持。论文主要结果如下:(1)对不同Si含量的MoN/SiN复合膜的微结构与性能进行研究,结果表明:薄膜由面心立方(face-centered cubic)fcc-(Mo Si)N和非晶SiN两相构成;随着Si含量的升高,薄膜硬度先上升后下降,当Si含量为3.7 at.%时硬度最高,其最高值为32 GPa;Si的加入可以显著的提升薄膜的高温抗氧化性能,添加12.4 at.%的Si可以将MoN薄膜的高温抗氧化温度从450℃提高到720℃,主要归因于薄膜中形成的具有优异热稳定性能的非晶SiN相;添加小于3.7 at.%的Si,可以在不提高二元MoN薄膜室温摩擦系数的基础上提升薄膜的耐磨损性能;当Si含量为3.7 at.%时,薄膜的磨损率最小,其最小值为4.58×10mm/***,这主要归因于此时MoN/SiN薄膜表面平均粗糙度的降低以及晶格畸变导致的薄膜硬度提高,使得薄膜的承载能力得到提升;此外,Si元素的添加还可显著的提升薄膜的高温耐磨性能,这是因为薄膜的抗氧化温度得到了显著提高,导致高温下Mo O摩擦相无法大量形成,然而这也使得薄膜的摩擦系数有一定程度的上升。(2)对不同Si含量的MoN/Cu/SiN复合膜的微结构与性能进行研究,结果表明:薄膜主要由fcc-(MoSi)N,fcc-Cu和非晶SiN三相构成;随着Si含量的升高,薄膜硬度先升高后保持稳定最后逐渐降低,当薄膜中Si含量在3.3-5.7 at.%之间时,硬度最高,其最高值约为30 GPa;随着Si含量的上升,薄膜的高温抗氧化温度逐渐上升,添加13.8 at.%的Si可以将MoN/Cu薄膜的高温抗氧化温度从360℃提高到730℃,这主要归因于氧化过程中非晶SiN相的存在以及硅基氧化物的形成;室温下,随着Si含量的升高,薄膜摩擦系数逐渐升高,磨损率先下降后上升,当Si含量为3.3 at.%时,薄膜的磨损率最小,其最小值为5.1×10mm/***;当Si含量为5.7 at.%时,薄膜在室温-500℃温度循环磨损试验中表现出优异的耐磨损性能,这主要归因于非晶相SiN的出现,打断了原本的柱状晶结构,隔绝了空气中的氧进入薄膜内部,并有效阻止了Cu的过度迁移和MoN的过度氧化。

关键词： Al2O3陶瓷颗粒   金属基复合材料   构型复合   压缩性能   磨损性能  

摘要： 传统的金属基复合材料因存在耐磨性与塑韧性不匹配的问题,而阻碍了其在耐磨材料领域中的进一步应用和推广。构型复合材料因其结构优势,成为使金属基复合材料兼顾良好的塑韧性与耐磨性的有效途径之一。本文将分级构型思想引入AlOparticals(AlOp)/高锰钢复合材料并对其进行空间点阵结构设计,将含有高体积分数的AlOp增强相的空间点阵结构陶瓷预制体作为I级复合材料,其复合区呈毫米级球形结构分布在空间点阵框架节点上。为实现耐磨件成型一体化,采用重力铸渗法使作为II级基体的高锰钢与I级复合材料进行浸渗形成II级复合材料,称为AlOp/高锰钢空间点阵分级构型复合材料。利用高锰钢基体框架将复合区分隔为独立单元,通过基体框架与复合区的协同作用达到提高材料综合性能的目的。为改善AlOp-钢之间的润湿性,采用活化微粉对I级复合材料进行活化,研究结果表明添加适当的Si C碳化物活化剂时,界面反应层厚度最小且其界面反应层中主要物相为具有较高硬度的Fe Si O,实现了AlOp与基体间的冶金结合与机械结合,且AlOp在复合区中分散较为均匀无明显铸造缺陷。最终在分级构型复合材料中其I级基体为奥氏体和马氏体、II级基体为奥氏体,通过双基体协同作用对复合材料强塑性进行调控。研究了复合区体积分数对AlOp/高锰钢空间点阵分级构型复合材料压缩性能、1.5 J低冲击磨料磨损性能以及3.0 J高冲击磨料磨损性能的影响。制备了四种复合区体积分数(7.6、15.2、22.8和30.4 vol.%)的AlOp/高锰钢空间点阵分级构型复合材料、均匀复合材料以及基体材料。主要研究结果如下:研究了复合区体积分数对AlOp/高锰钢空间点阵分级构型复合材料压缩性能的影响。研究结果表明:材料的屈服强度随着复合区体积分数的升高,在复合区体积分数为30.4 vol.%时其屈服强度相比于基体和均匀复合材料分别提升37%和79.5%;在相同工程应变值下(22.5%)构型复合材料的抗压强度先升高后降低,在复合区体积分数为22.8 vol.%时其抗压强度相比于基体和均匀复合材料分别提升26.4%和435.9%。空间点阵的结构设计能够很好的发挥高锰钢基体的强韧性优势,基体框架在吸收部分压缩载荷的同时能够限制裂纹的扩展,使得复合材料的强度和塑性同时得到提升,其塑性变形能力(工程应变)相比于均匀复合材料提升6倍以上。分别研究了在高、低冲击载荷下,复合区体积分数对AlOp/高锰钢空间点阵分级构型复合材料的冲击磨料磨损性能。研究结果表明,随着复合区体积分数的增大,构型复合材料的磨损率呈先减后增的变化趋势。由于高锰钢的强加工硬化能力,高锰钢及其复合材料在高冲击磨损工况下的耐磨性更高,空间点阵分级构型的结构设计能够提升高锰钢基复合材料在低冲击工况下的耐磨性,1.5 J冲击功下,复合区体积分数为22.8 vol.%时材料的磨损率最低,相比于相比基体材料与均匀复合材料分别降低36.5%和44.1%;3.0 J冲击功下,同样是复合区体积分数为22.8 vol.%时材料的磨损率最低,相比于基体材料与均匀复合材料分别降低59.1%和63.3%。磨损机理分析表明:高锰钢基体材料以及构型复合材料的基体区的磨损机理为磨料颗粒的凿削(嵌入与犁削)以及应变疲劳,均匀复合材料以及构型材料的复合区的磨损机理为磨料颗粒的凿削、研磨以及疲劳脱落。

关键词： 根管治疗   树脂填充   金属预成冠   儿童龋齿   远期磨损程度  

摘要： 目的 探究根管治疗后树脂充填与金属预成冠对儿童龋齿修复效果及远期磨损程度对比。方法 选取2019年9月-2021年9月，于医院接受龋齿治疗的患儿40例作为观察对象，按照性别、年龄、牙齿疾病类型组间均衡匹配的原则分为观察组20例和对照组20例。两组患儿均接受根管治疗，并进行牙体修复。对照组患儿行树脂填充治疗，观察组于对照组基础上行金属预成冠治疗。比较两组治疗1年后的远期磨损程度以及两组患儿治疗的有效率。结果 观察组患儿的总磨损程度为5.00%，对照组患儿的总磨损程度为24.00%，观察组患儿一年后的磨损程度低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）；观察组患儿龋齿治疗总有效率为95.00%，对照组患儿为65.00%，观察组治疗总有效率优于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。结论 金属预成冠在儿童龋齿根管治疗后，获得较为满意的治疗效果，并有效地维持了患儿的咬合功能，提高患者牙齿原有的解剖形态，减轻了患儿治疗后的远期磨损程度，提高患儿治疗后的生活质量，且应用较为简便，具有较高的临床推广价值。

关键词： 人工膝关节假体   几何结构参数   磨损仿真分析   接触应力   交叉剪切  

摘要： 超高分子量聚乙烯（Ultra-high Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE）胫骨部件的磨损是限制膝关节假体远期失效的根本原因,为了满足年轻化、运动量大患者的需求,必须进一步提高膝关节假体的耐磨性、延长假体的使用寿命。人工膝关节假体的磨损和假体的几何结构参数、轴承材料以及相对运动方式三种因素相关,虽然高交联技术在一定程度上可提高UHMWPE材料的耐磨性,但为了进一步减小膝关节假体的磨损率,对膝关节假体进行结构优化设计仍是目前研究的重点。UHMWPE为线性长链分子结构,在运动过程中会产生定向应变硬化现象,多方向运动是造成UHMWPE磨损的主要因素,因此准确量化交叉剪切变量对于UHMWPE胫骨-金属股骨膝关节假体的磨损预测至关重要。本文首先基于UHMWPE等距离90°交叉运动时的磨损试验数据,建立了磨损深度与摩擦功之间的函数关系,该磨损模型有效耦合了接触法向应力（接触应力）、交叉剪切两个关键变量,任意滑动距离、任意交叉剪切运动时的磨损可基于该磨损模型进行数值计算。为了进一步明确交叉剪切变量对UHMWPE磨损的影响,本文基于摩擦功磨损模型研究聚乙烯销-金属盘在两种交叉剪切运动输入条件下的磨损情况。研究发现,高交叉剪切运动条件下UHMWPE的磨损率是低交叉剪切运动时的5倍,交叉剪切比对UHMWPE磨损的影响与临床结果相一致,增加交叉剪切比会显著增加UHMWPE的磨损率;在两种运动输入条件下,销部件接触表面的线性磨损深度分布趋势相同,最大线性磨损深度均位于接触表面的下方区域,从上到下线性磨损深度逐渐增加。本文基于摩擦功磨损模型对临床中大量使用的捷迈NK-II、强生PFC假体进行标准步态周期磨损仿真,研究膝关节假体几何结构参数对磨损的影响。研究发现,强生PFC假体的体积磨损率是捷迈NK-II假体的1.7倍,其原因是捷迈NK-II假体在矢状面的形合度相对较小,载荷作用相对分散,单个周期内的重叠接触面积相对较小,而强生PFC假体在矢状面的形合度相对较大,载荷作用范围相对集中,单个周期内的重叠接触面积相对较大,导致其磨损率和线性磨损深度相对较大;同时强生PFC假体在冠状面的形合度小于捷迈NK-II假体,单个周期内的瞬时接触面积相对较小,平均接触应力相对较大,进一步增加了强生PFC假体的磨损率。虽然在膝关节假体磨损仿真分析中,基于摩擦功磨损模型预测得到的磨损率低于模拟机试验结果,其原因可能是膝关节假体的交叉剪切比相对较低,几乎接近于线性往复运动。但该磨损模型有效预测了交叉剪切比、膝关节假体几何结构参数对UHMWPE磨损的影响,可为后续人工膝关节假体进行几何结构优化设计提供一定的理论基础,该摩擦功磨损模型在低交叉剪切运动时的磨损还需进一步基于销盘磨损试验研究。