开题报告-髋关节仿生试验机的设计(下置式)

开题报告课题名称髋关节仿生试验机的设计（下置式）课题来源A.教师科研课题类型工程设计类1．选题的背景及意义：由疾病、事故和战争等原因导致的大量人体骨骼病变和损伤，使得许多人成为残疾而失去基本生活能力，给病人的家庭及社会都带来极大的影响和沉重的负担。为减轻病人痛苦，提高他们的生活质量，科学界一直致力于解决人工关节置换技术问题。目前，全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达4000～6000万人，仅全髋关节置换就达80万例。人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节的研制、开发是一门跨领域的交叉学科，涉及到材料学、力学、生物学、成型技术和医疗等多门学科的知识，需要多方面的科研人员不断探索。其中，对人工关节仿生力学特性的研究由于直接关系到置换关节的使用质量和临床寿命而备受人瞩目。积极开展人工关节生物力学特性方面的研究，掌握置换关节材料在生物机体环境内的摩擦磨损行为规律，对于提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。2．研究内容拟解决的主要问题：根据人类行走时髋关节的运动特点，结合人工关节结构特征，研制一种股骨头在上、髋臼在下，能正确模拟人类髋关节运动的试验机械。该机械设计时考虑的主要因素是使其在试验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用相一致，从而可以准确地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。3．研究方法技术路线：该试验机设计时考虑的主要因素是使其在试验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。该试验设备主要由机械传动部分、温控系统及液压加载系统组成。该试验机由四个相互独立的试验单元组成，每个试验单元的结构和工作原理都完全一致。为了真实模拟天然关节的运动工况，试验时转速小能过高，这样一来势必造成试验时间很长，在多试样重复试验时这一矛盾更为突出。本试验机在一个机架上同时装配了四个试验单元，增加了试验工位，从而大大缩短了试验时间，同时也为作对比试验提供了便利。关节头试件由夹具夹持固定于试验机主轴上。试验时载荷的施加由加载油缸完成。向加载油缸的上腔输入压力油，活塞杆将向下移动，并通过花键轴带动关节头试件压向臼杯试件。利用液压系统调节液压油的压强，可满足试验时不同载荷要求。臼杯座中可安装不同规格（φ20mm～φ50mm）的髋臼试件，并通过组合轴承部件固定在支撑斜板上。支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。安装在臼杯座中髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合滑动运动。4．研究的总体安排和进度计划：根据人类行走时髋关节的运动特点，结合人工关节结构特征，研制一种股骨头在上、髋臼在下，能正确模拟人类髋关节运动的试验机械。1、设计出试验机传动机构的装配图及主要零部件图；2、编排指定的试验机主要零件的制造工艺一份；3、设计说明书一份（字数不少于15000字）；4、翻译不少于4000单词量的相关英语文献；5、参考文献不少于15篇。第1周查询相关文献，收集资料；第2周查询相关文献，收集资料，翻译相关英语文献；第3周综合分析文献资料，提出试验机运动方案；第4周提出并论证试验机结构方案，试验机机构运动分析；第5周确定试验机总体结构,计算主要零部件尺寸；第6周试验机总装配图设计；第7周试验机总装配图设计；第8周根据试验机总装配图，拆画，设计零件图；第9周根据试验机总装配图，拆画，设计零件图；第10周对试验机的运动进行虚拟仿真分析；第11周编排指定的试验机主要零件的制造工艺；第12周完善总体结构，整理图纸资料和毕业论文；第13周整理图纸资料和毕业论文，准备答辩。5．主要参考文献：[1]葛世荣,熊党生,王纪湘.人工关节的摩擦学问题及其研究现状[J].生物摩擦学与人工关节学术研讨会论文集.上海,2000年9月:27-30.[2]黄传辉.人工髋关节的磨损行为及磨粒形态研究[D].中国优秀博硕士学位论文.2004年.[3]张亚平,高家成,王勇.人工关节材料的研究与进展[J].世界科技研究与发展,22(1):47-50.2006年.[4]邱宣怀等，机械设计[M]，高等教育出版社.2007年.[5]朱龙根等，简明机械设计零件设计手册[M]，朱龙根主编，机械工业出版社.2001年.[6]谢铁邦等，互换性与技术测量[M]，华中科技大学出版社.2002年.[7]Pariente.J.L,etal.TheBiocompatibilityofCathelersandStentsusedonUrology[J].ProgUrol.Apr.1994,8(2):181.[8]孟昭琴.人工关节材料的仿生性能及临床运用[J].中国组织工程研究与临床康复第14卷第22期2010–05–28出版[9]陈长春.髋关节置换用股骨假体材料的研究与应用[J].材料导报,1998,12(6):1[10]濮良贵.陈国定.吴立言《机械设计》（第九版）<机械类>[M]，高等教育出版社.2007年.[11]戴振东.弓娟琴.人工关节摩擦学的研究[J].生物医学工程学杂志，2006,23(3):669-673.[12]王成焘.天然与人工关节中的摩擦学问题[J].医用生物力学200924（5）:317-325[13]Jacobs,Joshua.J.S,Anastasia.K,etal.3-yearprospectivestudyofserumtitaniumlevelsinpatientswithprimarytotalhipreplacements[J].ASTMSpecialTechnical123Publication,1996,1272(5):400-408.[14]C.Desai•H.Hirani•A.Chawla，LifeEstimationofHipJoint[J].Prosthesis，Received:7September2012/Accepted:28October2014/Publishedonline:26November2014TheInstitutionofEngineers(India)2014[15]叶霞,陈菊芳,王江涛,等.人工关节材料及其表面改性研究进展[J].江苏技术师范学院学报,2007,13(4):48-52.[16]亢晋勇,张美芳,范书勋.人工关节置换与关节的运动性损伤[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(52):10347-10350.[17]李业海,徐俊杰.人工髋关节假体材料的生物相容性问题分析[J].中国组织工程研究与临床康复,20