مجله اینترنتی دیتاسرا
امروز چهارشنبه ۲۶ مهر ۱۳۹۶

ارائه یک مدل تحلیلی و بررسی تجـربی رفتار پارامترهای موثر در نیروی محـوری فرآیند سوراخ‌کاری استخوان کورتیکال

چکیده



یکی از مهم‌ترین فرآیند‌های ماشینکاری در حوزه جراحی‌ها و مهندسی پزشکی، فرآیند سوراخکاری استخوان می‌باشد. سوراخکاری استخوان کاربرد عمده‌ای در جراحی‌های ارتوپدی، نمونه‌برداری‌های استخوانی و همچنین دندان‌پزشکی دارد. در طول عمل سوراخکاری استخوان، اعمال نیروی بیش‌از‌حد به بافت استخوان سبب ایجاد شکست و ترک‌خوردگی و ایجاد آسیب جدی در بافت استخوان می‌گردد. در این مقاله، یک مدل تحلیلی بهبود‌یافته براساس کار‌های انجام شده توسط بونو و نی، چاندراسخاران و لی برای پیش‌بینی رفتار نیروی محوری در فرآیند سوراخکاری استخوان ارائه‌شده است، در این مدل عمل برش در راس مته به سه ناحیه تقسیم می‌شود: لبه‌های برش اولیه، بخش بیرونی لبه اسکنه (لبه برش ثانویه) و بخش داخلی لبه اسکنه (ناحیه دندانه). در مدل تحلیلی ارائه‌شده فرآیند برش در هریک از این سه ناحیه مورد‌بررسی قرار‌گرفته است. به‌منظور صحه‌گذاری مدل تحلیلی، آزمایش‌های تجربی با بهره‌گیری از استخوان تازه گاو انجام‌شده است. نرخ پیشروی و سرعت دورانی ابزار به‌عنوان پارامتر‌های موثر در سوراخکاری در نظر گرفته‌شده و مدل آماری برای بدست‌اوردن مدل ریاضی و ارائه نمودار‌های برهم‌کنش متغیر‌های ورودی ازمایش، به روش سطح پاسخ و تحلیل تجربی فرایند سوراخکاری استخوان ارائه گردیده است. انطباق نتایج حاصل از مدل تحلیلی و آزمایش‌های تجربی مناسب ارزیابی می‌گردد. نتایج به‌دست آمده از مدل تحلیلی و مدل تجربی بدین‌صورت است که با کاهش مقدار پیشروی و افزایش سرعت دورانی ابزار نیروی وارده به بافت استخوان کاهش می‌یابد.


مشخصات

مشخصات

توسط: حامد حیدری؛ مجتبی ذوالفقاری؛ نوید اسدی پور مجله: مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس سال انتشار: 1396 شمسی تعداد صفحات: 10 درج در دیتاسرا: ۱۳۹۶/۳/۲۹ منبع: دیتاسرا

خرید محصول

خرید محصول

عنوان: ارائه یک مدل تحلیلی و بررسی تجـربی رفتار پارامترهای موثر در نیروی محـوری فرآیند سوراخ‌کاری استخوان کورتیکال حجم: 1.49 مگابایت فرمت فایل: pdf قیمت: 1200 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد.

گروه نرم افزاری دیتاسرا www.datasara.com

نمای مطلب

ارائه یک مدل تحلیلی و بررسی تجربی رفتار پارامترهای موثر در نیروی محوری فرآیند سوراخکاری استخوان کورتیکال



مقدمه



هدف از انجام عمل جراحی شکستگی استخوان کنار هم قرار دادن دقیق و ثابت نگهداشتن اجزای شکسته شده استخوان در کنار یکدیگر است تا عضو شکسته شده موقعیت قبلی خود را به بهترین نحو بازیابی نماید  به وسیله عمل سوراخکاری استخوان میتوان پیچها و ایمپلنتهایی را در داخل اعضای شکسته شده قرار داد تا بخشهای آسیب دیده نسبت به یکدیگر ثابت گردند  در فرآیند سوراخکاری استخوان بررسی و پیشبینی رفتار دما و نیرو نقش بسزایی در موفقیت و بهبود بسیاری از عملهای جراحی ارتوپدی دارد واگر نیروی محوری بیش از حد باشد  ممکن است مته از طریق قشر دیستال فرو برود و به محیط نرم اطراف ان اسیب برساند و یا اگر گشتاور مته بیش از حد بزرگ باشد  تمایل برای گیر کردن مته و یا حتی شکستن در استخوان وجود دارد  پرایس و همکاران و پایچلر و همکاران نرخ شکستگی ابزار در طول مراحل ارتوپدی و اشات ان  پس از عمل را در افراد مورد بررسی قرار دادند  هم اکنون استفاده از رباتهای اتوماتیک جراحی و بهرهگیری از سیستمهای روباتیک در اعمال جراحی و بهبود ابزار جراحی مورد توجه محققان و پژوهشگران این زمینه قرار گرفته است  استفاده از سیستمهای کنترل عددی سبب میگردد که خطاهای تصادفی در حین عمل جراحی به کمترین مقدار خود برسد و از آسیبهای ناخواسته به بافت استخوان جلوگیری گردد عزیز و همکارانا با ارائه یک الگوریتم کنترل نیرو  نیروی اعمالی حاصل از سوراخکاری را بهبود داده و دقت ابزار را در حین جراحی بالا بردند  لوردو و همکاران با استفاده از یک سیستم رباتیکی توانستند دقت ابزار سوراخکاری را هنگام لایهبرداری و اعمال نیرو به بافت استخوان بهبود دهند و این موض در حال تحقیق و بررسی توسط دیگر محققان این زمینه بوده و به سرعت در حال پیشرفت میباشد رفتار دما و نیرو در فرایند سوراخکاری استخوان از اهمیت بالایی برخوردار بوده و برای دستیابی به نتایج رضایت بخش در عمل جراحی میبایست به دقت مورد بررسی قرار گیرد  نیروی ایجاد شده در بافت استخوان با بالا رفتن دما و افزایش حرارت ایجاد شده در استخوان رابطه مستقیم دارد  افزایش دما سبب ایجاد عارضه نکروز حرارتی و مرگ سلولی در بافت استخوان میگردد  و   نکروز حرارتی سبب می گردد که پیچهای ایمپلت شل شده و موجب ناموفق بودن عمل جراحی میگردد  افزایش نیروی اعمالی به بافت استخوان سبب ایجاد میکروترکها در اطراف سوراخ و آسیب به بافت استخوان میگردد و این مورد نیز موجب شکست عمل جراحی و افزایش مدت زمان درمان و تاخیر در بهبودی کامل بیمار میگردد  لال   همچنین اعمالل نیروی بیش از حد ممکن است باعث شکسته شدن مته در داخل استخوان گردد  مهمترین پارامترهایی که بر رفتار دما و نیرو در سوراخکاری استخوان اثر دارند سرعت دورانی ابزار  نرخ پیشروی  قطر وو هندسه ابزار است  با وجود تحقیقات فراوان بر روی رفتار نیرو و دما  اما بررسی فاکتورهای فرآیند سوراخکاری استخوان در بهبود رفتار این دو خروجی مهم مورد اختلاف محققان این حوزه است  نتایج تحقیقات صورت گرفته درباره اثر سرعت برشی بر روی نیرو توسط محققین مختلف با یکدیگر متفاوت گزارش شده است  جاکوب و همکاران      علم و همکاران  بسیجا و همکاران  واص  بیان داشتند کهه افزایش سرعت دورانی ابزار موجب کاهش نیرو در فرآیند سوراخکاری استخوان میگردد  میکاولیا و همکاران نشان دادند که افزایش سرعت دورانی باعث کاهش نیروی محوری و گشتاور برای استخوان ران انسان می شود ولی برای استخوان ران مصنوعی اثر کمی دارد       اما لی و همکاران ابراز داشتند که افزایش سرعت برشی موجب افزایش نیرو در حین فرایند میگردد  شکوری و همکاران  همچنین پاندا و پاندی  کمترین مقدار سرعت دورانی ابزار و کمترین مقدار پیشروی را به منظور دستیابی به کمترین مقدار نیرو ارائه نمودند  یودیلجاک و همکاران دریافتند که سرعت دورانی ابزار نقش بسیار کمی در تغییرات نیروی محوری داشته و فاکتوری کم تاثیر است  همان گونه که ملاحظه میگردد محققین گذشته درباره رفتار نیرو در فرآیند سوراخکاری استخوان دارای اختلافنظر هستند  برخی از مطالعات به این نتیجه رسیدند که سرعت دورانی ابزار نقش بسیار کمی در تغییرات نیروی محوری داشته و فاکتوری کم تاثیر است      و شمار اندکی از مطالعات   اقدام به توسعه مدل نیرویی و حرارتیی  برای



عملیات سوراخکاری استخوان جهت گرفتن اثرات شرایط سوراخکاری و هندسه مته روی نیروهای سوراخکاری و درجه حرارات  انجام شده است  در این مطالعه  یک مدل مکانیکی بهبود یافته براساس کارهای انجام شده توسط بونو و نی  چاندراسخاران و لی و همکاران برای پیشبینی نیروی محوری و گشتاور در هنگام سوراخکاری استخوان گاو توسعه داده شد  در مدل مکانیکی بهبود یافته  شرح تحلیلیی از نیروهای سوراخکاری با توجه به هندسه مته و شرایط سوراخکاری در هر بخش از مته مارپیج توسعه داده شده است   مدلهای تجربی انجام شده عمدتآ شامل اثرات نرخ پیشرویی و قطر مته روی نیروهای سوراخکاری میباشند  درحالی که اثرات سرعت محوری دورانی و هندسه مته نادیده گرفته شدهاند  علاوه بر این آزمایشهای کالیبراسیون متعدد برای بهدست آوردن ضرایب این معادلههای تجربی نیز موردنیاز است  در مدلهای تحلیلی امکان استفاده از خواص مواد استخوان و هندسه مته فراهم میباشد و نیاز چندانی به آزمایش کالیبراسیون ندارند اما این مدلها در دسترس نیستند  چون مدل تحلیلی استخوان بهطور کامل درک نشده و خواص مواد استخوان مانند انعطافپذیری و شروع و انتشار صدمه در دسترس نیست و نیز خواص استخوان نمونه بهطور گستردهای برای سن  جنس و بیماری فردد متفاوت است  بنابراین مدلهای تحلیلی برای جلوگیری از انجام تعداد زیادی آزمایش در مدلهای تجربی و استفاده از خواص مواد در محاسبه نیرو  کارآمدتر است و همچنین میتوانند نیروی محوری و گشتاور را با استفاده از خواص مواد و تنها با چند آزمایش کالیبراسیون پیشبینی کنند  مدلهای تحلیلی برای فرایند سوراخکاری فلزات موفقیتآمیز بود  همکاران برای اولین بار یک مدل تحلیلی برای سوراخکاری استخوان معرفی کردند و نشان دادند که نیروی محوری و گشتاور میتواند به خوبی پیشبینی شود  با این حال  تبدیل نیرو بر روی لبههای برش با استفاده از این مدل شامل برخی از اشتباهها بود و منطقه دندانه آن که از موچ و لادربرک گرفته شده بود       نادرست میباشد و توسط بونو و نی اصلاح شد  دیویدسون و جیمز برای اولین بار یک مدل تولید وانتقال حرارت ساده شده برای سوراخکاری استخوان را ارائه دادند  کان و همکاران به بررسی اثر شرایط سوراخکاری روی دما پرداختند     سیزیک و همکاران یک مدل المان محدود در بهمنظور ارزیابی اثر سرعت  نرخ پیشرویی  بهکارگیری نیروی مته  قطر مته  چگالی استخوان و جنس استخوان روی درجه حرارت انجام دادند  ه‌‌  با توجه به پیچیدگیهای تحلیل  مدلسازی و شبیهسازی فرایند سوراخکاری استخوان  در داخل کشورر نیز در این زمینه مطالعات محدودی انجام شده است  طهماسبی و همکاران  و   مدلسازی و بهینهسازی چند منظوره پارامترهای موثر در سوراخکاری استخوان را ارائه دادند  در همین زمینه  شکوری وو همکاران به مطالعه تجربی نکروز حرارتی در فرایندهای سوراخکاری معمولی و سرعت بالای استخوان پرداختند  نیز تاثیر سوراخکاری استخوان با دریل دورانی  ارتعاشی در کاهش نکروز حرارتی راا بررسی کردند  شکوری و همکاران بررسی تجربی و تحلیلی نیرو در فرآیند سوراخکاری استخوان به کمک ارتعاشات آلتراسونیک را ارائه دادند       تحقیقات انجام گرفته در زمینه مدلهای تحلیلی استفاده شده در سوراخکاری بسیار محدود بوده و در مقاله حاضر یک مدل تحلیلی سوراخکاری برای استخوان بکار گرفته شده با مقادیر تجربی اعتبارسنجی شده است در این مطالعه  یک مدل تحلیلی براساسس کارهای انجام شده توسط بونو و نی  چاندراسخاران و لی و همکاران برای پیشبینی نیروی محوری و گشتاور در فرآیند سوراخکاری استخوان گاو  توسعه داده شده است  دراین مدل بهبودیافته  تحلیلل نیروها با توجه به هندسه مته و شرایط سوراخکاری در هر بخش از مته توسعه داده شده است  سپس مجموعهای از ازمایشهای کالیبراسیون برای تعیین ضرایب معادلات انرژیهای ویژه برش  برایی محاسبه نیروها انجام شد  درنهایت یک سری از ازمایشها تحت دامنه وسیعی از شرایط سوراخکاری برای ارزیابی مدل تحلیلی انجام شد     مدل نیروی بیشترین استفاده از متهها  مته راس مخروطلی  است و معمولا متههای جراحی از این ی مته با تغییرات جزئی ساخته میشوند  بنابراین در این مقاله  مدل نیرویی سوراخکاری برای این ی مته توسعه داده شده است  پارامترهای مهم که هندسه یک متهه راس مخروطی را توصیف میکنند   شکل     شامل قطر   زاویه ضخامت جان مته       و زاویه لبه اسکنمیباشد  فرض میشود نیروهای سوراخکاری که از اصطکاک بین طوقه مته و سطح سوراخ به وجود میایند در مقایسه با نیروهای حاصل از لبه برش اندازه کافی کوچک میباشند و از آنها طرفنظر میشود  علاوهبراین  فرض میشود افزایش درجه حرارت در طول فرایند سوراخکاری تاثیر اندکی در تغییر نیروی سوراخکاری دارد و تاثیر آن نیز نادیده گرفته میشود  بنابراین  عمل برش در راس مته را میتوان به سه ناحیه مجزا تقسیم کرد: لبههای برش اولیه  لبه برش ثانویهناحیه دندانه    شکل    مدلهایی که برای تحلیل فرایند برش برای هر یک از این سه ناحیه شرح داده شد  فرمولبندی شدهاند      فرمولبندی مدل نیرویی لبههای برش اولیه: عمل برش در امتداد لبههای برش اولیه توسط یک فرآیند برش مورب سه بعدی انجام میشود  شکل     سرعت برشی ١٣ در امتداد لبههای برش اولیه مته با فاصله شعاعی  تغییر میکنند  فاصله یک نقطه روی لبههای برش اولیه از محور مته  که در یک صفحه عمود بر محور مته اندازهگیری شده است  فاصله شعاعی میباشد    شکل     تغییر زاویههای برش با فاصله شعاعی درامتداد لبههای برش اولیه را نشان میدهد  همانطور که در   شکل     دیدهه میشود  زاویه براده نرمال در امتداد لبههای برش اولیه از مقادیر منفی روی لبه اسکنه به سمت مقادیر مثبت در نزدیکی شعاع بیرونی مته تغییر میکند  سرعت برشی مماسی یک تابع خطی از فاصله شعاعی است و با افزایش شعاع  افزایش مییابد  برای فاصله که در آن لرسرعت دورانیبرحسب دور بر دقیقه   ضخامت جان مته برحسب میلیمتر  و نصف زاویه راس برحسب رادیان  زاویه مارپیچ درر شعاع بیرونی  میباشند  تغییر در زاویه براده نرمال و سرعت برشی باعث تغییر نیروها در لبههای برش مته میشود  عمل برش در بخش بیرونی لبههای برش اولیه با زاویه براده نرمال بزرگ مثبت و سرعت برشی بالاتر  نسبت به مناطق داخلی از لبههای برش با زاویه براده نرمال منفی و سرعت برشی پایینتر  بسیار کارآمدتر است  بنابراین میتوان مدلی برای پیشبینی نیروها روی لبههای برش اولیه با تغییر پارامترهای برش  بهدست آورد  برای محاسبه این مدل  لبههای برش به تعدادی از المانهای برش تقسیم خواهد شد و برای هر المان  نیروهای برش نیروی عمودی   اصطکاکی   ‌‌    



پیشروی در هر دور برحسب میلیمتر بر دور عرض یک المان از لبه برش در امتداد  میباشد  شکل     انرژی ویژه نرمالانرژی ویژه اصطکاکیضخامت براده جدا        زاویب براهه نرمالا  سرعت برشی    میباشند  مطالعات تجربی نشان داده است انرژیهای ویژه برش را می توان توسط ضخامت براده و سرعت برش  توسط قانون قدرت برای فلزات  استخوان توصیف کرد   ١بنابراین  از قانونن قدرت نمیتواند مستقیما برای مدل کردن اثر زاویه براده نرمال استفاده کرد  زیرا زاویه براده نرمال مته راس مخروطی میتواند یک مقدار بزرگ و منفی باشد و برای حل این مشکل  تبدیل  برای متناسبب کردن تغییرات گسترده زاویه براده نرمال استفاده میشود و این تبدیل وقتی که زاویه براده نرمال در حدود است  یکنواخت میباشد  بنابراین  انرژیهای ویژه برش با توجه به زاویه براده نرمال میتوانند توسط قانون قدرت با استفاده از این تبدیل محاسبه شوند  بدون در نظر گرفتن اثر متقابل میان  انرژی ویژه نرمال و اصطکاکی میتوان آنها را به عنوان عبارات خطی در حوزه لگاریتمی توصیف کرد  که به شرح زیر میباشند     :کمترین مقدار  در امتداد لبههای برش اولیه میباشد که معادل نصف طول لبه اسکنه است  بنابراین      که ر زاویه لبه اسکنه میباشد      فرمولبندی مدل نیرویی لبه اسکنه در ناحیه اطراف مرکز یک مته  فرض میشود مواد با اکستروژن پلاستیک برداشته میشود  در واقع ماده استخوان براساس شکست برشی جدا میشود و ماده جدا شده که دچار تغییر شکل پلاستیک شده و دمای قابل توجهی دارد تحت فشار ناشی از نیروی محوری در شیارهای مته جریان یافته و عملا فرآیند اکستروژن شکل میگیرد  این بخش به نام منطقه دندانه میباشد و قسمت باقیمانده از لبه اسکنه  لبهه برش ثانویه نامیده میشود  که حذف مواد به وسیله برش متعامد با یک زاویه براده نرمال بزرگ و منفی انجام میشود    شکل و   دو ناحیه را بر روی لبه اسکنه نشان میدهد  فرض میشود منطقه دندانه بهعنوان یک صلب دندانهدار باشد  برای تعیین نیروهای روی گوه  



لازم است شعاع  منطقه دندانه را پیدا کرد  با استفاده از یک تحلیل هندسی دو بعدی عبارت     برای منطقه دندانه بهدست آمد       که توسط لی و همکاران برای مدلسازی نیروی سوراخکاری استخوان تایید شد  اما بونو و نی بیان بهتری از ناحیه دندانه را با استفاده از یک مدل ریاضی سه بعدی برای هندسه ناحیه دندانه را گسترش دادند و دقت ان نیز تایید شد  معادله شعاع ناحیه دندانه با استفاده از این مطالعه توسعه داده شد  بنابراین:   آزمایشهای صحهگذاری مدل در این مطالعه  مدل کالیبره شده و اعتبارسنجی سوراخکاری استخوان فشرده ران گاو با مته راس مخروطی انجام میشود  در بررسی رفتار نیرو در فرایند سوراخکاری استخوان در این مطالعه  پارامترهای سرعت دورانی ابزار  نرخ پیشروی  بهعنوان متغیرهای ورودی فرآیند در نظر گرفته شده است  همچنین بیشترین مقدار نیروی ایجاد شده در بافتت استخوان در حین سوراخکاری بهعنوان پاسخ فرآیند       مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته  است  در انجام آزمایشها از استخوان تازه گاو  سن حدود   الی   سال  استفاده شده است      از قسمت دیافیزز ران گاو  بخش میانی  که طولی به اندازه  میلیمتر دارد و ضخامت استخوان کورتیکال در این محدوده در حدود میلیمتر است  استفاده شده است  شکل ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی استخوان ران گاو به استخوانهای بلند انسان نزدیک است    از این رو بسیاری از محققین برای بررسی فرآیند سوراخکاری استخوان از استخوان ران گاو استفاده نمودهاند   هیج حیوانی به منظور و با هدف انجام این تحقیقق قربانی نشده است  بهمنظور سهولت در انجام تحقیقات قسمت ابتدایی و انتهایی استخوان ران بهوسیله اره جدا شده است  عمق سوراخکاری انجام شده در نمونهها  میلیمتر در نظر گرفته شده است  در انجامم این تحقیق نباید مدت زمان زیادی از زنده بودن بافت استخوان گذشته باشد تا خواص مکانیکی و ترموفیزیگی و چگالی بافت استخوان حفظ گردد و به بافت زنده مورد عمل جراحی شباهت داشته باشدد  خواص ماده استخوان با گذشت زمان بسیار تغییر خواهد کرد و دیگر مشابهت لازم را به شرایط عمل جراحی نخواهد داشت   متههای استفاده شده در فرایند متههای استاندارد فولاد تند بر میباشد و به منظور حذف اش سایش ابزار از متههای نو استفاده شده است  متههای به قطر میلیمتر تهیه شده است  این متههای استاندارد دارای زاویه مارپیچ مته   درجه  زاویه براده وو درجه و زاویه راس متهه میباشد و زاویه لبه اسکنه  درجه  و طول لبه اسکنه   میلیمتر  میباشد  از دریل سوراخکاری اتوماتیک تبریز جهت انجام فرآیند سوراخکاری بهره گرفته شده است  برای اندازهگیری نیروی محوری از یک نیروسنج آزمایشگاهی بهره گرفته شده است  نمونهای از نحوه پژوهش در فرآیند سوراخکاری استخوان در حالت آزمایشگاهی در   شکل ارائه شده است  برای تشخیص نیروهای لبه برش اولیه ازز نیروهای لبه اسکنه  ابتدا یک سوراخ نمونه درپوش   شکل با قطر معادل طول لبه اسکنه ایجاد شد  روش سوراخکاری مشابه نیز توسط چاندراسخاران و همکاران    تایید شده است  در زمان ایجاد سوراخخ نمونه  لبههای برش به تدرچ در برش درگیر میشوند و به همان نسبت نیروها افزایش مییابند  منطقه    پس از اینکه لبههای برش بهطور کامل در برش درگیر شدند و قبل از اینکه لبه اسکنه به پایین سوراخ نمونه برسد  نیروها ثابت نگهداشته میشوند



 منطقه هنگامی که لبه اسکنه پایین سوراخ نمونه میرسد  نیروها در یک سطح جدید وارد میشوند  منطقه  ک    برای تعیین ضرایب انرژیهای ویژه نرمال و اصطکاکی  چهار ازمایش در دو سرعت محوری  دور بر دقیقه  و دو نرخ پیشرویی  میلیمتر بر دور  انجام شد  هر لبه برش به تعدادی از المانها  عدد در این مطالعه  تقسیم شده است و نیروی محوری و گشتاور برای هر المان از دادههای نیرویی اندازهگیری شده در منطقهی    بهدست میآید  با بهکاربردن تبدیلات معکوس استفاده شده در اصطکاکی و نرمال المان بهدست میآید  سپس با استفاده از معادلات  انرژیهای ویژه نرمال و اصطکاکی برای هر المان تعیین میشود  از آنجا که ضخامت براده جدا نشده  سرعت برش و زاویه برداه نرمال برای هر المان با استفاده از هندسه مته و شرایط سوراخکاری تعیین میشود  ضرایب را میتوان با استفاده از رگرسیون خطی چندگانه نیز بهدست آورد  جدول   ضرایب کالیبراسیون بهدست آمده را نشان میدهد  با تعمیم معادلات انرژی ویژه نرمال و اصطکاکی برای لبه برش ثانویه با زاویه براده نرمال بزرگتر و منفی و سرعت برش کمتر از لبه برش اولیه  نیروها برای لبه برش ثانویه تخمین زده میشوند نیروهای ناحیه دندانه با استفاده از نظریهی میدان لغزش خط  معادلات    محاسبه میشوند و کل نیروی محوری و گشتاور با اضافه کردن نیروهای سوراخکاری لبههای برش اولیه و لبههای برش ثانویه تعیین میشوند     مجموعهای از آزمایشهای سوراخکاری برای ارزیابی مدل تحلیلی نیرو انجام شد  در بررسی فرآیند سوراخکاری استخوان در این تحقیق سرعت دورانی ابزار  به عنوان متغیرهای ورودی فرآیند در نظر گرفته شده است  همچنین از مهمترین متغیرهای خروجی  نیرو است که مورد تحلیلل و بررسی قرار گرفته است  در انجام آزمایشها از استخوان ران گاو و در قسمت فشرده بهره گرفته شده است  استخوان گاو از ان جهت انتخاب شده که از میان حیوانات  استخوانهای گاو  سگ و خوک بیشترین شباهت را از لحاظ خواص به استخوان انسان دارند  در واقع شرایط سوراخکاری و استخوان همانند آزمایش کالیبراسون میباشد  جدول   ویژگیها و شباهتهای استخوان کورتیکال گاو و انسان را نشان میدهد  مته جراحی از جنس فولاد تندبر با همان هندسه ازمایش کالیبراسون میباشد و از دریل سوراخکاری   محوره جهت سوراخکاری بهره گرفته شده است  سوراخهای ایجاد شده برای تحلیل نیز به عمق  میلیمتر میباشند  هر آزمایش سه با تکرار شده و بیشترین مقدار اندازهگیری شده نیرو در جدول   ارائه شده است  متغیرهای ورودی و مقادیر متغیر خروجی نیرو  برای هر و آزمایش در کنارر مقادیر مدل تحلیلی در جدول   آورده شده است با توجه به مقادیر نیرو بهدست آمده از مدل تحلیلی و آزمایشهای تجربی میتوان گفت مدل تحلیلی با دقت مناسبی میتواند مقدار نیرو را پیشبینی کند  نمونهای از نحوه انجام آزمایشها در   شکل ارائه شده است  و نقش سرعت دورانیونرخ پیشرویابزاربرروی نیرو مدل تحلیلی پیشنهادی متشکل از سه مدل تحلیلی ماشینکاری به صورت جداگانه برای لبههای برش اولیه  لبه برش ثانویه و ناحیه دندانه میباشد  لبههای برش اولیه و لبه برش ثانویه به تعدادی از المانهای برشی تقسیم میشوند و برای هر المان  نیروهای برش با استفاده از انرژیهای ویژه برش همراه با مساحت براده تعیین میشوند  نیروهای منطقه دندانه با استفاده از نظریه میدان لغزش خط تعیین میشود  انرژیهای ویژه برش لبههای برش اولیه کالیبره شده و برای محاسبه نیروهای لبههای برش ثانویه تعمیم داده میشود  بنابراین  دقت مدل تحلیلی پیشنهادی به طور عمده به ازمایش کالیبراسیون   برونیابی از انرژیهای ویژه برش برای لبههای برش ثانویه و راه حل لغزش خط برای منطقه دندانه  بستگی دارد  ضرایب انرژیهای ویژه برش با توجه به ضخامت براده جدا نشده  سرعت برش و زاویه براده نرمال از تجزیه و تحلیل رابطه رگرسیون تمام المانها روی لبههای برش اولیه بهدست آمدهاند  حتی زمانی که شرایط سوراخکاری تغییر میکند و ضخامت براده جدا نشده و برخی از سرعتهای برش خارج از محدوده کالیبره هستند  نیروهای پیشبینی شده توسط انرژیهای ویژه برش همو اه با مساحت د اده ف  تاانند به سادگح   متناسب با دادهها    تجو بس   باشند



بهدلیل اینکه ضرایب ضخامت براده جدانشده و سرعت برش کوچک هستند و انرژیهای ویژه برش با توجه به این دو عامل قانون قدرت را دنبال میکنند  در تحلیل مسائل مهندسی به ویژه در انجام آزمایشهای تجربی که در آنها پاسخ مسئله تحت تاثیر متغیرهای مختلف ورودی است  بهرهگیری از روشهای آماری آزمایشها کمک شایانی به طراحا  مدلسازی و تحلیل و بهینهسازی دقیق این فرآیندها مینماید  در این زمینه یکی از بهترین روشهای آماری  روش سطح پاسخ است  این روش این قابلیت را دارد که رابطه بین ورودیها و خروجیهای یک آزمایش را مدلسازی نموده و به صورت یک معادله ریاضی رگرسیون خطی مرتبه دوم ارائه نماید      با توجه به نتایج بهدست امده از جدول    که نقش سرعت دورانی و نرخ پیشروی ابزار بر روی نیرو را بررسی میکند  نتاچ حاصل از تحلیل واریانس و مدلسازی آماری انجام شده بر روی  حاصل از مدل تحلیلی نیرو در فرآیند سوراخکاری استخوان در جدولنشان داده شده است  بزرگ بودن مقدار ال در تحلیل واریانس نشان دهنده تاثیر بیشتر ترمم مربوطه است  با توجه به جدول   تاثیر مقدار پیشروی بر روی نیروی ایجاد شده در فرآیند به مراتب بیشتر از مقدار سرعت دورانی ابزار است  براساس مدلسازی صورتگرفته معادله حاکم بر نیروی فرآیند به شکل زیر است:



دقت بسیار خوب مدل منطبق شده بر دادههاست  شکل       ملاحظه میشود با زیاد شدن سرعت دورانی ابزار مقدار نیروی اعمالی به استخوان کاهش مییابد  شکل      همچنین هرچه نرخ پیشروی کمتر باشد نیروی ایجاد شده در استخوان کمتر است  شکل  میتوان گفت کمترین نیروهای وارد به استخوان در سرعتهای بالا و نرخ پیشروی کمتر ایجاد میگردد  با افزایش نرخ پیشروی و به سبب آن افزایش ضخامت براده تغییر شکل یافته  نیروی اعمالی به استخوان افزایش مییابد  افزایش سرعت دورانی نیز موجب خروج بهتر براده و جلوگیری از گیر کردن براده و در نتیجه کاهش اصطکاک بین جداره سوراخ و مته میگردد و بهسبب آن نیروی فرآیند کاهش مییابد  همانطور که از روی مدل بیان شد نقش تغییرات نرخ پیشروی نسبت به سرعت دورانی ابزار در نیروی ایجاد شده در فرآیند سوراخکاری استخوان بیشتر است  هرچه نیروی اعمالی به فرآیند بیشتر باشد امکان ایجاد شکست و آسیب به بافت استخوان افزایش مییابد برش هر ناحیه  فرمولبندی شدند  مدل برای استخوان فشرده گاو کالیبره شده و اعتبارسنجی برای طیف گستردهای از سرعت دورانی و نرخ پیشروی انجام شد  نتایج مدل پیشبینی برای مته به خوبی با نتاچ تجربی منطبق میباشد و ملاحظه میشود با زیاد شدن سرعت دورانی ابزار مقدار نیروی اعمالی به استخوان کاهش مییابد  همچنین هرچه نرخ پیشروی کمتر باشد نیروی ایجاد شده در استخوان کمتر است  میتوان گفت کمترین نیروهای وارد به استخوان در سرعتهای بالا و نرخ پیشروی کمتر ایجاد میگردد  محدودیتها برای مدل شامل آزمایش کالیبراسیون برای تعیین ضرایب انرژیهای ویژه برش اولیه   برونیابی انرژیهای ویژه برش برای لبههای برش ثانویه و فرض یک مکانیزم اکستروژن پلاستیک برای استخوان در منطقه دندانه است  مطالعه بیشتر در مورد مکانیزم اصلی برش برای مواد استخوان در این سه منطقه میتواند مدل را بهبود ببخشد 


ناحیه کاربری

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد. ایمیل خود را وارد نمایید.

رمز عبور خود را وارد نمایید.

گزیده ها
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
مجله اینترنتی دیتاسرا
کلیه حقوق مادی و معنوی این وبسایت متعلق به گروه نرم افزاری دیتاسرا می باشد.
Copyright © 2015