20421

MEC2 178

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

فني و مهندسي

مهرماه 1400

81ص.

مسعود ضيائي راد

تنش فون ميسز , روش حجم سيال , جريان و انتقال حرارت , سوراخ¬كاري استخوان

سوراخكارياستخوان يك عملجراحياستكه به¬طوركليبرايايجادسوراخدراسكلت انسان براي درمان شكستگيها، نصب ايمپلنتها يا معالجه درماني به شكلهاي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرد.روش متداول در سوراخكاري استخوان استفاده از مته مي¬باشد كه ناخواسته گرماي زيادي توليد ميكند و سبب افزايش درجه حرارت موضعي شده و پديده نكروزيس رخ ميدهد. اين پديده سبب خسارت گرمايي به استخوان و يا حتي التهاب مغز استخوان ميشود. استفاده از جت آب براي سوراخكاري استخوان به جاي روش¬هاي معمول يك مورد مناسب براي حل اين مشكل مي¬باشد. افزايش دمايي كه جت آب در طي فرايند ايجاد مي¬كند به بافت استخوان آسيب نميرساند، علاوه بر اين برش تميز و تيز، قابليت تنظيم دلخواه و اجازه استفاده از ابزار منعطف و سازگار را ارائه ميدهد. در اين پژوهش برخورد جت آب به سطح استوانه¬اي استخوان به¬روش عددي و درحالت سه بعدي،دوفازي،آشفته و گذرادر نرمافزار انسيس شبيه¬سازي و نرخ انتقال حرارت و فشار وارد بر سطح استخوان محاسبه گرديده است. سپس با استفاده از زير برنامه نويسيVDLOAD در نرم افزار آباكوس فرايند سوراخ¬كاري بر اساس فشار اعمالي توسط جت آب برخوردي روي سطح استخوانمطالعهشده است.بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه مدل آشفتگي تنش¬هاي رينولدزنسبت به ساير مدل¬هاي آشفتگي توانايي مناسبي در پيش بيني رفتار جريان دارد. نتايج شبيه¬سازي جريان نشان مي¬دهد كه با افزايش سرعت جت آب برخوردي از300 به 360 متر بر ثانيه عدد ناسلت 18.52 درصد و توزيع فشار روي سطح43.85 درصد افزايش مي¬يابند. در بررسي تاثير قطر نازل مشاهده شدكه افزايش قطر نازل از 0.7 به 1 ميلي¬متر، افزايش 77.19 درصدي عدد ناسلت و 70.37 درصدي توزيع فشار روي سطح را در پي دارد همچنين نتايج شبيه¬سازي تاثير فاصله¬ي برخورد، افزايش34.58 درصدي عددناسلتو 20.62 درصديتوزيعفشاررويسطح استخوان در اثر كاهش فاصله برخورد جت آب تا سطح از 3 به 1ميلي¬متر را نشان مي¬دهد. بيشترين مقدار انتقالحرارت در نقطه¬ي برخورد مشاهده شده است و با حركت جريان در طول استخوان به¬دليل كاهش گرادياندما مقدار عدد ناسلت كاهش مي¬يابد. با توجه بهنتايج،عددرينولدزوقطر نازل دو پارامتربسيار تاثير¬گذار بر ويژگي¬هاي جريان جت برخوردي مي¬باشند.در فرايند سوراخ¬كاري استخوان و تعريف پارامتر¬هاي شكست از مدل ماده جانسون-كوك استفاده شده است. نتايج نشان مي-دهد كه براي سوراخ كاري استخوان بايد فشار و تنش وارد بر سطح استخوان از تنش تسليم استخوان فراتر رود تا موجب سوراخ شدن و نفوذ در سطح گردد. شبيه¬سازي مشخص كرده است كه افزايش سرعت جت آب برخوردي، افزايش قطر نازل و كاهش فاصله¬ي جت آب تا سطح برخورد سبب افزايش فشار و در نتيجه افزايش تنش فون ميسز و كرنش پلاستيك معادل در سطح برخورد مي¬شوند. با توجه به نتايج به¬دست آمده مقدار تنش فون ميسز و كرنش پلاستيك معادل روي سطح استخوان فقط در ناحيه برخورد جت آببه حداكثر خود مي¬رسند و با حركت در طول استخوان و فاصله گرفتن از ناحيه برخورد از بين مي¬روند كه اين بيانگر قابليت بالاي كنترل جت آب در ايجاد سوراخ با ابعاد دلخواه بدون آسيب به اطراف حفره مي¬باشد.

1400/09/22

صديقه رمضاني

Impinging water jet , Bone drilling , Turbulent flow and heat transfer , Volume of fluid method , Von mises stress

Numerical simulation and thermal analysis of water jet drilling of a cylindrical-shape bone

مهندسي مكانيك

Bone drilling is a type of surgery generally employed to make holes in the human skeleton to treat fractures, implant placement, or treatment in various ways. A common method in bone drilling is to use a drill in which a lot of heat is invariably generated, and a local temperature increase and necrosis phenomenon occurs. This phenomenon causes heat damage to the bone or even inflammation of the bone marrow. Using water jets to drill bones instead of the aforementioned methods is a potentially viable solution to tackle those problems. This method not only does not damage the bone tissue due to temperature increase during the process but also carves clean and sharp cuts. Additionally, it offers the ability of arbitrarily adjustment and allows the use of flexible and compatible tools. In this research, the impact of water jet on the cylindrical surface of bone is numerically simulated in three-dimensional, two-phase, turbulent and transient mode in ANSYS Fluent software and the rate of heat transfer and pressure on the bone surface is calculated. Then, obtained pressure and VDLOAD subroutine coding in ABAQUS software are applied to water jet impact on bone surface to investigate the drilling process. Studies show that the Reynolds stress turbulence model has a better ability to predict flow behavior than other turbulence models. The simulation results show that increasing the velocity of the impinging water jet from 300 to 360 (m/s) increases the Nusselt number by 18.52 and the pressure distribution on the surface by 43.85 percent. Also, by increasing the nozzle diameter from 0.7 to 1 (mm) the Nusselt number and pressure distribution on the surface experienced increase of 77.19 and 70.37 percent respectively. Additionally, simulation of jet distance reduction to the surface from 3 to 1 (mm) shows the increase of Nusselt number by 34.58 percent and pressure distribution on the bone surface by 70.37 percent. The highest amount of heat transfer is observed at the impinging point and the amount of Nusselt number decreases with the movement of flow along the bone due to the decrease in temperature gradient. According to the results, the Reynolds number and the diameter of the water jet are two very influential parameters on the flow characteristics of the impinging jet. Johnson-Cook material model is used in the process of bone drilling and definition of fracture parameters. The results show that for bone drilling, the pressure and stress on the bone surface must exceed the yield stress of the bone to cause perforation and penetration on the surface. The simulation shows that increasing the velocity of the water jet impinging, increasing the nozzle diameter and decreasing the distance of the water jet to the impact surface increase the pressure and thus increase the Von Mises stress and the equivalent plastic strain at the impact surface. According to the results, the amount of Von Mises stress and the equivalent plastic strain on the bone surface reach their maximum only in the water jet impact area and are eliminated by moving along the bone and moving away from the area of impact, which indicates the high ability of water jet control in creating holes of desired dimensions without damage around the cavity.

5