Προσομοίωση πειραμάτων θλίψης και τριβής επικαλύψεων με ψεκασμό πλάσματος με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων (abaqus-code)

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη μοντελοποίηση πειραματικών διατάξεων που έγιναν για μελέτη αντοχής βιοσυμβατών κεραμικών υλικών, για τον Τομέα Κατεργασιών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ψεκασμού πλάσματος (plasma spray) και τα κεραμικά υλικά Τιτανία, Ζιρκονία και προσμίξεις αυτών, γίνεται επικάλυψη σε σφαίρα η οποία θα αποτελέσει την άρθρωση μεταξύ του μηριαίου οστού και της λεκάνης. Ακολούθως η σφαίρα αυτή δοκιμάζεται σε πειράματα θλίψης σε μηχάνημα INSTRON και παράγονται τα διαγράμματα φορτίου – μετατόπισης για διάφορες φορτίσεις. Παράλληλα, δίσκος με την ίδια επικάλυψη δοκιμάζεται σε πειράματα τριβής σε δίσκο. Γίνεται μοντελοποίηση των πειραμάτων στο πρόγραμμα Abaqus 6.13 για τις δύο αυτές διατάξεις. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι, αφού καλύψει το θεωρητικό υπόβαθρο, η κατάστρωση αξιόπιστων μοντέλων που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δοκιμή των εν λόγω υλικών, και η λεπτομερής επεξήγηση της διαδικασίας αυτής, υπό μορφή εγχειριδίου, για τη διευκόλυνση της χρήσης του εν λόγω προγράμματος απεριόριστων δυνατοτήτων από το εργαστήριο του Τομέα Κατεργασιών. Τέλος, δημιουργούνται διαγράμματα Φορτίου – Μετατόπισης για το μοντέλο θλίψης και Συντελεστή Τριβής για το μοντέλο τριβής σε δίσκο και η συγκρίνονται με τα αντίστοιχα των πειραμάτων.

The thesis is about the modelling of compression and wear tests of biocompatible ceramic materials. Using the method of thermal spray (plasma spray), ceramic materials Titania, Zirconia and their mixtures are sprayed on sphere that would be used as the hip joint in patients. The sphere is then tested in compression and wear tests and the stress-strain curve is made for various loads. The plasma sprayed disk is tested on a pin-on-disk assembly and Coefficient of Friction curves are made. The two models are simulated on Abaqus 6.13. The purpose of the thesis is after covering the theoretical background, to describe the construction of these models on Abaqus, as a form of manual, and provide reliable models that can be used to test materials of various properties, without actually running the tests. The Stress-Strain and Coefficient of Friction curves of the actual and simulated tests are compared and commented.