Разумовский Егор Сергеевич, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций
Комсомольский пр-т, д. 29, г. Пермь 614990
Egor S. Razumovsky, Postgraduate Student of the Department of Mechanics of Composite Materials and Structures
29 Komsomolsky Ave., Perm 614990
Шавшуков Вячеслав Евгеньевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций
Комсомольский пр-т, д. 29, г. Пермь 614990
Vyacheslav E. Shavshukov, Candidate of Sci ences (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Mechanics of Composite Materials and Structures
29 Komsomolsky Ave., Perm 614990
Цель исследования. Оценка количественного накопления повреждений в углерод-углеродном композиционном материале и влияния повреждаемости на несущую способность эндопротеза в процессе непрерывного нагружения. Необходимость оценки влияния повреждаемости на несущую способность обусловлена неоднородной структурой УУКМ. Причиной неоднородности УУКМ является пироуглеродная матрица, которая на уровне размерности кристаллитов является стохастической средой. В силу специфики строения УУКМ при малых нагрузках, вызванных случайными обстоятельствами при передвижении человека, могут возникать повреждения зерен, которые приводят к изменению упругих свойств в области повреждений пироуглеродной матрицы и УУКМ. Такие изменения приводят к псевдопластическому деформированию изделия из УУКМ.Методы. Модель для анализа влияния накопления повреждений на несущую способность эндопротеза, разработанная в рамках исследования, является синтезом двух методологически различных моделей. Первым уровнем модели является алгоритм, позволяющий получить решения интегрального уравнения для деформаций в зернах поликристалла пиролитического углерода, определить вероятности повреждения зерен матрицы для каждого из критериев, вычислить объемные доли разрушенных, частично поврежденных и неповрежденных кристаллитов и определить на двух масштабных уровнях упругие свойства пироуглеродной матрицы в рамках обобщенного сингулярного приближения и УУКМ по полидисперсной модели. Вторым уровнем является конечно-элементная модель бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава, созданная в пакете ANSYS. Модель второго уровня позволяет оценить влияние повреждений матрицы на размерном уровне кристаллитов на макроскопическое механическое состояние конструкции. Взаимосвязь двухуровневой модели обеспечивается непрерывным обменом данными между двумя уровнями.Результат исследования. Кусочно-линейная диаграмма, демонстрирующая нетривиальный псевдопластический характер деформирования УУКМ. Заключение. Двухуровневая модель бедренного компонента эндопротеза ТБС показала, что УУКМ демонстрирует закритическое псевдопластическое деформирование, что свидетельствует о живучести и положительном механическом отклике конструкции.
The purpose of the study. Assessment of the quantitative accumulation of damage in the C/C composite and the effect of damage on the bearing capacity of the endoprosthesis during continuous loading. The need to assess the impact of damage on load-bearing capacity is due to the heterogeneous structure of the C/C composite. The reason for the inhomogeneity of the C/C composite is the pyrocarbon matrix, which is a stochastic medium at the level of the crystallite dimension. Due to the specific structure of the C/C composite, damage to the grains may occur under low loads caused by accidental circumstances during human movement. Damage to the grains leads to a change in elastic properties in the area of damage to the pyrocarbon matrix and C/C composite. Such changes lead to pseudoplastic deformation of the C/C composite product.Methods. The model for analyzing the effect of damage accumulation on the bearing capacity of the endoprosthesis, developed as part of the study, is a synthesis of two methodologically different models. The first level of the model is an algorithm that allows us to obtain solutions to the integral equation for deformations in polycrystal grains of pyrolytic carbon, determine the probabilities of damage to the matrix grains for each of the criteria, calculate the volume fractions of destroyed, partially damaged and undamaged crystallites, and determine the elastic properties of the pyrocarbon matrix at two scale levels within the framework of the generalized singular approximation and the polydisperse model. The second level is a finite element model of the femoral component of the hip arthroplasty, created in the ANSYS package. The second level model makes it possible to evaluate the effect of matrix damage at the dimensional level of crystallites on the macroscopic mechanical condition of the structure. The interconnection of the two-level model is ensured by the continuous exchange of data between the two levels.Result of investigation. A piecewise linear diagram demonstrating the nontrivial pseudoplastic nature of the C/С composite deformation.Conclusion. A two-level model of the femoral component of the hip joint endoprosthesis showed that the C/C composite exhibits subcritical pseudoplastic deformation, which indicates the survivability and positive mechanical response of the structure.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.