Какие особенности строения сустава делают его подвижным и уменьшают трение


Какие особенности строения сустава делают его прочным подвижным

Особенности строения сустава делают его прочным

Таранно-ладьевидный сустав: причины артроза, признаки и лечение

Артроз стоп часто остается не выявленным. Любой дискомфорт в области пятки связывают с образованием шпоры, и на этом обычно беспокойство о собственном здоровье заканчивается. Но проблема может скрываться намного глубже, как в прямом, так и переносном смысле. Локализуется патология между пяточной и таранной костями и определяется, как нарушение целостности таранно-ладьевидного сустава.

Общая характеристика

Свое название это сочленение получило из-за места расположения. Таранно-пяточный ладьевидный сустав представляет собой соединение таранной, пяточной и ладьевидной костей.

Место расположения таранной кости – пяточная кость и дистальный конец голени. Если говорить иначе, то она представляет собой некий мениск.

Ее тело и головка заключаются в шейку. Пяточная кость, сплюснутая с боков и удлиненная по своей форме, сосредотачивается в задне-нижней зоне предплюсны.

Во всей стопе она имеет самый большой размер. Костная структура содержит два суставных блока для сочленения с кубовидной и таранной костями.

И, наконец, ладьевидная – располагается внутри ступни. Она имеет бугристый внутренний край, что определяет высоту подъема стопы.

Задний суставной блок соединяется с таранной костью.

Весь таранно-пяточный сустав имеет шарообразную форму, что обеспечивает ему достаточную функциональность в соединении с подтаранным сочленением. Образуется комбинированная подвижность внутри стопы, позволяющая ей совершать вращение вокруг собственной оси. Прочность костного соединения обеспечивается за счет мощной межкостной таранно-пяточной связки.

Причины развития артроза сустава

Каждый человек когда-либо получал травмы голеностопа. Если они повторяются систематически, то возможно развитие артроза таранно-пяточного ладьевидного сустава.

Такой диагноз можно приобрести уже после 20 лет, когда на еще растущий организм приходятся чрезмерные нагрузки. Если учесть, что после получения образования человек начинает вести малоподвижный образ жизни, у него появляется лишний вес — провоцирующий заболевание фактор.

С возрастом риски развития патологического состояния ног существенно возрастают. Это происходит из-за изнашивания суставных поверхностей, нарушения процессов метаболизма, ухудшения общего состояния, заболеваний эндокринной системы и прочих признаков старения.

Повреждение мениска коленного сустава: симптомы и лечение

Мениск представляет собой хрящевую прослойку в форме полумесяца, расположенную между большой берцовой и бедренной костью. Играя одну из ключевых ролей в механизме коленного сустава, он обеспечивает его амортизацию, а также уменьшает контактное напряжение в местах крепления костных структур.

Немаловажной задачей мениска является обеспечение равномерного распределения нагрузок и стабилизация сустава.

  • Особенности строения мениска коленного сустава
  • Причины и виды повреждений менисков
  • Симптоматическая картина повреждения мениска коленного сустава
  • Диагностика патологии
  • Методы лечения повреждённого мениска
    • Консервативные методы лечения
    • Народные способы лечения
    • Хирургические методы лечения

С повреждением этого элемента чаще всего сталкиваются те, кто ведёт активный образ жизни, занимается различными видами спорта. Даже незначительная травма внутри мениска коленного сустава может привести к нарушению подвижности конечности.

При подозрении на этот диагноз должны быть применены безотлагательные меры медицинской помощи с последующим эффективным лечением. Вовремя невылеченные травмы нередко приводят к появлению патологических процессов внутри сустава и могут закончиться инвалидностью.

Особенности строения мениска коленного сустава

При сгибании ноги мениск способен выдерживать больше 80% от всей нагрузки на сустав, а при разгибающем движении он воспринимает приблизительно 70%.

Мениски бывают медиальными (внутренними) и латеральными (наружными). По центру внутреннего расположена зона крепления большой берцовой связки.

С-образная форма медиального мениска обеспечивает соединение внешнего капсульного края сустава с большеберцовой костью. Благодаря такому креплению снижается его подвижность и, как следствие, уменьшается риск разрушения.

Латеральный занимает почти всю верхнюю зону сустава большеберцовой кости. Суставная капсула не ограничивает мобильность внешнего мениска, поэтому его травмы встречаются в 5 раз реже травм внутреннего.

Структура как медиального, так и латерального элемента включает в себя три главных компонента: тело, передний и задний рог.

Мениски состоят из разнонаправленных коллагеновых волокон, которые своей разносторонней ориентацией и переплетением, формируют прочную структуру. Внутренний конец заострённой частью обращён в полость сустава.

Внешний конец, состоящий из плотного слоя коллагена, надёжно крепится к суставной капсуле. Хорошая эластичность мениска достигается за счёт наличия в нём своеобразного белка-эластина.

Такая специфическая структура даёт им двухкратное превосходство в эластичности по сравнению с хрящами.

Для того чтобы сустав в полной мере выполнял свою функцию по обеспечению движений, все суставные поверхности должны правильно соответствовать друг другу. Это свойство называют конгруэнтностью.

Всякий вывих представляет собой нарушение конгруэнтности. Теоретически он может наблюдаться в любом суставе.

На практике чаще всего развивается вывих плеча. Данный вид травмы по частоте составляет около 60% всех случаев вывихов.

Немного анатомии

Прежде, чем выяснить, почему развивается вывих плеча, следует определиться с терминологией – что есть плечо? Дело в том, что многие под плечом ошибочно подразумевают плечевой пояс, образованный главным образом лопаткой и ключицей.

На самом деле плечо – это плечевая кость, которую некоторые именуют предплечьем, опять же, по ошибке. Поэтому травма, именуемая вывихом плеча, фактически представляет собой вывих плечевой кости.

Наш плечевой сустав является едва ли не самым подвижным анатомическим сочленением. Он образован головкой плеча и суставной впадиной лопатки.

Здесь совершаются широкоамплитудные движения верхней конечности в 3-х плоскостях. Благодаря этому наша рука нормально функционирует как рабочий орган.

Этим аспектом продиктованы некоторые анатомические особенности плечевого сустава. К таковым относятся изначально низкая конгруэнтность (малая площадь соприкосновения) головки плечевой кости и суставной впадины лопатки, а также разболтанная суставная капсула, слабый связочный аппарат.

Все эти факторы предрасполагают к вывиху плеча. В какой-то мере плечевой сустав фиксируется суставной губой — хрящевым валиком, окружающим суставную впадину, а также мускулатурой плечевого пояса и верхней конечности.

Особенности строения сустава делают его прочным

Таранно-ладьевидный сустав: причины артроза, признаки и лечение

Артроз стоп часто остается не выявленным. Любой дискомфорт в области пятки связывают с образованием шпоры, и на этом обычно беспокойство о собственном здоровье заканчивается. Но проблема может скрываться намного глубже, как в прямом, так и переносном смысле. Локализуется патология между пяточной и таранной костями и определяется, как нарушение целостности таранно-ладьевидного сустава.

Общая характеристика

Свое название это сочленение получило из-за места расположения. Таранно-пяточный ладьевидный сустав представляет собой соединение таранной, пяточной и ладьевидной костей.

Место расположения таранной кости – пяточная кость и дистальный конец голени. Если говорить иначе, то она представляет собой некий мениск.

Ее тело и головка заключаются в шейку. Пяточная кость, сплюснутая с боков и удлиненная по своей форме, сосредотачивается в задне-нижней зоне предплюсны.

Во всей стопе она имеет самый большой размер. Костная структура содержит два суставных блока для сочленения с кубовидной и таранной костями.

И, наконец, ладьевидная – располагается внутри ступни. Она имеет бугристый внутренний край, что определяет высоту подъема стопы.

Задний суставной блок соединяется с таранной костью.

Весь таранно-пяточный сустав имеет шарообразную форму, что обеспечивает ему достаточную функциональность в соединении с подтаранным сочленением. Образуется комбинированная подвижность внутри стопы, позволяющая ей совершать вращение вокруг собственной оси. Прочность костного соединения обеспечивается за счет мощной межкостной таранно-пяточной связки.

Причины развития артроза сустава

Каждый человек когда-либо получал травмы голеностопа. Если они повторяются систематически, то возможно развитие артроза таранно-пяточного ладьевидного сустава.

Такой диагноз можно приобрести уже после 20 лет, когда на еще растущий организм приходятся чрезмерные нагрузки. Если учесть, что после получения образования человек начинает вести малоподвижный образ жизни, у него появляется лишний вес — провоцирующий заболевание фактор.

С возрастом риски развития патологического состояния ног существенно возрастают. Это происходит из-за изнашивания суставных поверхностей, нарушения процессов метаболизма, ухудшения общего состояния, заболеваний эндокринной системы и прочих признаков старения.

Повреждение мениска коленного сустава: симптомы и лечение

Мениск представляет собой хрящевую прослойку в форме полумесяца, расположенную между большой берцовой и бедренной костью. Играя одну из ключевых ролей в механизме коленного сустава, он обеспечивает его амортизацию, а также уменьшает контактное напряжение в местах крепления костных структур.

Немаловажной задачей мениска является обеспечение равномерного распределения нагрузок и стабилизация сустава.

  • Особенности строения мениска коленного сустава
  • Причины и виды повреждений менисков
  • Симптоматическая картина повреждения мениска коленного сустава
  • Диагностика патологии
  • Методы лечения повреждённого мениска
    • Консервативные методы лечения
    • Народные способы лечения
    • Хирургические методы лечения

С повреждением этого элемента чаще всего сталкиваются те, кто ведёт активный образ жизни, занимается различными видами спорта. Даже незначительная травма внутри мениска коленного сустава может привести к нарушению подвижности конечности.

При подозрении на этот диагноз должны быть применены безотлагательные меры медицинской помощи с последующим эффективным лечением. Вовремя невылеченные травмы нередко приводят к появлению патологических процессов внутри сустава и могут закончиться инвалидностью.

Особенности строения мениска коленного сустава

При сгибании ноги мениск способен выдерживать больше 80% от всей нагрузки на сустав, а при разгибающем движении он воспринимает приблизительно 70%.

Мениски бывают медиальными (внутренними) и латеральными (наружными). По центру внутреннего расположена зона крепления большой берцовой связки.

С-образная форма медиального мениска обеспечивает соединение внешнего капсульного края сустава с большеберцовой костью. Благодаря такому креплению снижается его подвижность и, как следствие, уменьшается риск разрушения.

Латеральный занимает почти всю верхнюю зону сустава большеберцовой кости. Суставная капсула не ограничивает мобильность внешнего мениска, поэтому его травмы встречаются в 5 раз реже травм внутреннего.

Структура как медиального, так и латерального элемента включает в себя три главных компонента: тело, передний и задний рог.

Мениски состоят из разнонаправленных коллагеновых волокон, которые своей разносторонней ориентацией и переплетением, формируют прочную структуру. Внутренний конец заострённой частью обращён в полость сустава.

Внешний конец, состоящий из плотного слоя коллагена, надёжно крепится к суставной капсуле. Хорошая эластичность мениска достигается за счёт наличия в нём своеобразного белка-эластина.

Такая специфическая структура даёт им двухкратное превосходство в эластичности по сравнению с хрящами.

Для того чтобы сустав в полной мере выполнял свою функцию по обеспечению движений, все суставные поверхности должны правильно соответствовать друг другу. Это свойство называют конгруэнтностью.

Всякий вывих представляет собой нарушение конгруэнтности. Теоретически он может наблюдаться в любом суставе.

На практике чаще всего развивается вывих плеча. Данный вид травмы по частоте составляет около 60% всех случаев вывихов.

Немного анатомии

Прежде, чем выяснить, почему развивается вывих плеча, следует определиться с терминологией – что есть плечо? Дело в том, что многие под плечом ошибочно подразумевают плечевой пояс, образованный главным образом лопаткой и ключицей.

На самом деле плечо – это плечевая кость, которую некоторые именуют предплечьем, опять же, по ошибке. Поэтому травма, именуемая вывихом плеча, фактически представляет собой вывих плечевой кости.

Наш плечевой сустав является едва ли не самым подвижным анатомическим сочленением. Он образован головкой плеча и суставной впадиной лопатки.

Здесь совершаются широкоамплитудные движения верхней конечности в 3-х плоскостях. Благодаря этому наша рука нормально функционирует как рабочий орган.

Этим аспектом продиктованы некоторые анатомические особенности плечевого сустава. К таковым относятся изначально низкая конгруэнтность (малая площадь соприкосновения) головки плечевой кости и суставной впадины лопатки, а также разболтанная суставная капсула, слабый связочный аппарат.

Все эти факторы предрасполагают к вывиху плеча. В какой-то мере плечевой сустав фиксируется суставной губой — хрящевым валиком, окружающим суставную впадину, а также мускулатурой плечевого пояса и верхней конечности.

Особенности строения коленного сустава

В человеческом организме именно сустав колена имеет самый большой размер. Строение коленного сустава настолько сложное и одновременно крепкое, что травматические вывихи голени происходят крайне редко. Ели сравнивать другие вывихи, то повреждение сустава колена составляют всего 2- 3% из всех случаев. Такие низкие показатели объясняются анатомо-физиологическими особенностями коленного сустава.

В медицинской литературе коленный сустав классифицируется, как двуостный, мыщелковый, комплексный и сложный.

Кости коленного сустава

Сустав колена является сочетанием поверхности большеберцовой кости, мыщелки бедренной кости, а также коленной чашечки.

Вся поверхность суставной кости покрыта гиалиновым хрящом, который выполняет защитную функцию. Благодаря ему уменьшается трение суставных поверхностей, которые сочленятся между собой. Что касается толщины гиалинового хряща на мыщелках костей, то она характеризуется своей неоднородностью. У мужчин этот показатель равен 4 на латеральном мыщелке и 4,5 на медиальном. Показатели толщины гиалинового хряща у женщин отличаются и имеют немного меньшие показатели. Что касается большеберцовой кости, то она также покрыта хрящами.

Связки сустава колена

Связки выполняют укрепляющую функцию. Бедренная и большеберцовая кости прочно крепятся крестообразными связками. Передняя и задняя связки коленного сустава находятся внутри суставной капсулы, то есть являются внутрисуставными.

Внутрисуставные связки состоят из таких связок:

  • косой дугообразной;
  • малоберцовой и большеберцовой коллатеральных;
  • латеральной и медиальной связок надколенника.

Хрящевые прослойки

Выше уже упоминался тот факт, что коленный сустав имеет сложное строение, так как включает в себя множество составляющих частей. Верхняя часть большеберцовой кости соединяется с хрящевой прослойкой, которая носит название мениска.

Коленный устав имеет два таких мениска. Они бывают внутренними и наружными, и соответственно называются медиальным и латеральным. Главная их функция – распределение нагрузки на поверхности большеберцовой кости. Благодаря своей эластичности, мениски способствуют амортизации движений.

Мениски, в равной степени, как и связки, выполняют функцию стабилизации суставной поверхности, ограничения подвижности, отслеживания положения колена, последнее выполняется благодаря определённым рецепторам.

Хрящевые прослойки крепятся к суставной капсуле при помощи связок большеберцовой кости. Медиальные мениски, в свою очередь, дополнительно крепятся к внутренней коллатеральной связке.

Предупреждения! Необходимо помнить, что медиальные мениски, из-за своей малоподвижности, часто повреждаются и разрываются.

У маленьких детей хрящевые прослойки коленного сустава наполнены кровеносными сосудами. С возрастом они остаются только во внешней части хрящей, при этом сохраняется незначительный заход внутрь. Почти вся часть мениска «питается» синовиальной жидкостью, а все остальная – кровеносным руслом.

Суставная сумка

Строение коленного сустава также состоит их суставной полости, которая герметично окружена суставной сумкой, приросшей к костям. Снаружи сумка плотно покрыта фиброзной тканью, что позволяет ей предохранять колено от повреждений внешнего характера. Пониженное давление внутри сумки позволяет поддерживать кость в сомкнутом положении.

Мышцы коленного сустава

Для правильного восстановления коленного сустава необходимо знать его строение. Коленный сустав состоит из таких мышц:

  • Портняжной. Именно эта мышца позволяет голени и бедру сгибаться, а также вращаться бедру наружу.
  • Четырехглавой. Уже с самого название стаёт понятно, что эта мышца имеет четыре головки – прямую, медиальную, латеральную широкую и промежуточную широкую мышцу бедра. Это одна из самых больших мышц человеческого организма. Разгибание голени, то есть выпрямление ноги, выполняется благодаря сокращению всех четырёх головок. Сгибание колена происходит при сокращении прямой мышцы.
  • Тонкой. Благодаря ей происходит поворот ноги внутрь в процессе сгибания голеностопа.
  • Двуглавой. Позволяет разгибать бедро, а также сгибать ногу в колене. Вращению голени кнаружи способствует согнутое положение этой мышцы.
  • Полусухожильной. Берёт участие в разгибании бедра и сгибании голени. Также играет немаловажную роль в процессе разгибания туловища.
  • Полуперепончатой. Выполняет функцию сгибания голеностопа и вращения его внутрь. Она незаменима при оттягивании сумки коленного сустава по мере его сгибания.
  • Икроножной. Берёт участие в процессе сгибания колена и голеностопного устава стопы.
  • Подошвенной. Её функции напоминают функции икроножной мышцы.

Подвижность коленного сустава весьма большая. Если эти показатели измерить, то они будут следующими:

  • 130° — сгибания в активной фазе;
  • 160° — сгибание в пассивной фазе;
  • 10—12°- максимальное разгибание.

Как моделировать трение жидкости в соединениях с помощью COMSOL Multiphysics®

В различных механизмах, таких как двигатели, насосы и турбины, используются компоненты, которые передают нагрузку между твердыми частями, находящимися в относительном движении. Обычные примеры - поршневые кольца, кулачки, зубья шестерен и (конечно) подшипники. Часто эти компоненты смазываются путем сохранения масляной пленки между двумя твердыми частями, чтобы минимизировать трение и износ. В этом сообщении блога мы рассмотрим методы моделирования гидравлического трения в смазанных соединениях.

Режимы смазки

В зависимости от нагрузок между двумя контактными поверхностями и их геометрии могут наблюдаться следующие различные режимы смазки:

  • Пленочная смазка
    • Нагрузка полностью поддерживается пленкой жидкости, так что контактирующие поверхности достаточно разделены пленкой жидкости
  • Смазка эластогидродинамическая
    • Наблюдается между несоответствующими поверхностями или в условиях высоких нагрузок, когда тела испытывают значительную упругую деформацию при контакте
    • Пленка жидкости все еще сохраняется между деформируемыми поверхностями из-за перекачивающего действия относительного движения между поверхностями
  • Граничная смазка
    • Тела соприкасаются друг с другом на своих неровностях, и гидродинамические эффекты незначительны
  • Смешанная смазка
    • Режим между полнопленочной эластогидродинамической смазкой и граничной смазкой, когда одной смазочной пленки недостаточно для полного разделения тел
    • Значительны гидродинамические эффекты

В этом сообщении блога мы сосредоточимся на режимах полнопленочной смазки, поскольку соединения образуют согласованные поверхности, а давление недостаточно велико, чтобы вызвать значительную деформацию.

Расчет силы вязкого сопротивления между пластинами, разделенными смазкой

Рассмотрим две плоские пластины, разделенные смазкой, как показано на рисунке ниже. Нижняя плита остается неподвижной, а верхняя поверхность движется с горизонтальной скоростью U .


Сдвиговый поток между двумя плоскими пластинами.

Для течения Куэтта без градиента давления профиль скорости смазки в направлении толщины z можно записать как:

v = \ frac {U} {h} z

Следовательно, вязкое напряжение сдвига в смазке равно:

\ tau = \ mu \ frac {\ partial v} {\ partial z} = \ mu \ frac {U} {h}

, который не зависит от координаты толщины.

Таким образом, вязкое сопротивление сдвигу на верхней пластине определяется по формуле:

F_f = \ mu A \ frac {U} {h}

, где A - площадь пластины.

В случае соединений поток смазочного материала также имеет градиент давления из-за различной толщины пленки. В таком случае профиль скорости меняется на:

v = \ frac {U} {h} z + \ frac {z (z-h)} {2 \ mu} \ frac {\ partial p} {\ partial x}

, где x - координата вдоль направления потока.

В этом случае вязкое напряжение сдвига на верхней пластине определяется по формуле:

\ tau = \ mu \ frac {U} {h} + \ frac {h} {2} \ frac {\ partial p} {\ partial x}

и вязкое сопротивление сдвигу на том же:

F_f = \ tau A = A \ left (\ mu \ frac {U} {h} + \ frac {h} {2} \ frac {\ partial p} {\ partial x} \ right)

Определение вязкой силы в смазываемых соединениях

Чтобы понять вязкую силу в шарнирах, давайте рассмотрим шарнирный шарнир. Шарнирное соединение - это соединение, которое позволяет относительное вращение вокруг оси соединения между двумя компонентами, образующими соединение.В целом, в отличие от приведенного выше примера, оба компонента, образующие шарнирное соединение, могут находиться в движении; например, соединение между шатуном и кривошипом поршневого двигателя. Общий сценарий показан на рисунке ниже, где компоненты вращаются вокруг своего центра со скоростью Ω 1 и Ω 2 соответственно. Если внутренний радиус компонента 1 равен R 1 , а внешний радиус компонента 2 равен R 2 , то поверхности движутся со скоростью Ω 1 R 1 и Ω 2 R 2 соответственно.


Шарнирный шарнир со смазкой.

В любом месте локально поток аналогичен описанному для плоской пластины. Следовательно, профиль скорости в любом окружном положении пленки в тангенциальном направлении определяется выражением:

v_t = \ Omega_1R_1 \ frac {z} {h} + \ Omega_2R_2 \ left (1- \ frac {z} {h} \ right) + \ frac {z (z-h)} {2 \ mu} \ nabla_t p

, где нижний индекс t представляет тангенциальную составляющую, а z отсчитывается от составляющей 2.

Тогда вязкое напряжение сдвига в смазке равно:

\ tau = \ mu \ frac {\ partial v_t} {\ partial z} = \ frac {\ mu} {h} (\ Omega_1R_1- \ Omega_2R_2) + \ left (\ frac {2z-h} {2} \ справа) \ nabla_tp

Если предположить, что Ω 1 R 1 > Ω 2 R 2 , напряжение сдвига на поверхности 1 составляет:

\ tau_1 = - \ frac {\ mu} {h} (\ Omega_1R_1- \ Omega_2R_2) - \ frac {h} {2} \ nabla_tp

, а на поверхности 2:

\ tau_2 = \ frac {\ mu} {h} (\ Omega_1R_1- \ Omega_2R_2) - \ frac {h} {2} \ nabla_tp

Затем общая сила сопротивления на обеих поверхностях получается путем интегрирования напряжения сдвига на поверхности как:

\ begin {align} F_ {f1} & = \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ tau_1dxd (R_1 \ phi) = - \ mu R_1 (\ Omega_1R_1- \ Omega_2R_2) \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ frac {dx} {h} d \ phi- \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ frac {h} {2} \ frac {\ partial p} {\ partial \ phi} dx d \ phi \\
F_ {f2} & = \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ tau_2dxd (R_2 \ phi) = \ mu R_2 (\ Omega_1R_1- \ Omega_2R_2) \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ frac {dx} {h} d \ phi- \ int_0 ^ L \ int_0 ^ {2 \ pi} \ frac {h} {2} \ frac {\ partial p} {\ partial \ phi} dx d \ phi
\ end {выровнено}

Моделирование смазанных соединений в COMSOL Multiphysics®

сочленений доступны в модуле «Динамика многотельных объектов», который является дополнением к модулю «Механика конструкций» и к программному обеспечению COMSOL Multiphysics®.Эти соединения могут быть жесткими или гибкими. Жесткие соединения, как следует из названия, не допускают никакого относительного движения между компонентами, кроме совместных степеней свободы (DOF). В гибких соединениях вы можете указать жесткость между компонентами для относительных движений, отличных от степеней свободы соединения. Эта жесткость может быть связана с гибкостью самих компонентов, наличием пленки жидкости между участками, образующими соединение, или их сочетанием. Здесь мы хотим поговорить именно о эффекте жидкой пленки.

Смазка в соединении поддерживает силы соединения посредством давления пленки, таким образом избегая контакта конструкции с конструкцией и уменьшая трение между компонентами соединения. Хотя и не так велико, как сила контактного трения, сдвиг смазки из-за относительного движения в шарнирах оказывает сопротивление относительному движению обоих компонентов, образующих соединение. Это сопротивление мы называем трением жидкости и в суставах. Таким образом, жидкая пленка в соединении прикладывает два типа сил к компонентам соединения:

  1. Сила, поддерживающая нагрузку на сустав
  2. Сила вязкого сдвига для сопротивления относительному движению компонентов

Таким образом, самый простой способ учета опорных сил пленки жидкости состоит в использовании динамических характеристик (жесткости и коэффициента демпфирования) пленки жидкости в качестве жесткости соединения и вязкого демпфирования в упругом соединении.Часто эти характеристики становятся известны благодаря некоторым экспериментам. Для простых случаев доступны также аналитические выражения в зависимости от эксцентриситета для динамических характеристик подшипника. COMSOL Multiphysics также позволяет рассчитывать динамические характеристики смазочной пленки в соединении через интерфейс Hydrodynamic Bearing . Этот интерфейс доступен в модуле Rotordynamics (также является надстройкой к COMSOL Multiphysics и модулю структурной механики), который используется для моделирования потока в подшипниках с жидкостной пленкой.Кроме того, чтобы учесть вязкое сопротивление, к относительному движению в сочленении должна быть приложена сила (или момент) сустава. Метод расчета вязкого сопротивления объяснен в предыдущем разделе.

Расчет динамических коэффициентов и вязкого сопротивления для каждого соединения и их использование в многотельном моделировании может быть довольно утомительным процессом. В программе COMSOL® есть более простой способ моделирования смазки суставов. Функция мультифизической связи под названием Solid Bearing Coupling предназначена для непосредственного комбинирования гидродинамических симуляций подшипников с симуляциями многотельных и структурной механики.Функция сцепления передает движение конструкции на интерфейс Hydrodynamic Bearing , чтобы вычислить изменение толщины пленки, которое влияет на распределение давления в пленке. Затем силы давления и сдвига в пленке передаются обратно на структуру в виде внешней силы, что делает ее двусторонней связью.

Пример трения жидкости в суставах

Чтобы понять процесс моделирования, описанный выше, давайте рассмотрим пример.Рассмотрим поршень и цилиндр поршневого двигателя. Стенки поршня и цилиндра разделены тонкой пленкой смазки, как показано на рисунке ниже.


Смазка поршня, совершающего возвратно-поступательное движение в цилиндре.

Поршень соединен с шатуном, который на другом конце соединен с шатунной шейкой. Схема всей системы показана на рисунке ниже:


Схема кривошипной системы ползуна.2 \ theta} -l_c + r_c (1- \ cos \ theta)

Обратите внимание, что при t = 0 смещение и скорость поршня равны 0.

Предположим далее, что на поршень действует вертикальная сила, обусловленная давлением газа, равная

.

F = \ frac {F_0} {2} \ {1+ \ cos (\ pi- \ theta) \}

Таким образом, сила равна нулю, когда поршень находится в нижней мертвой точке, и максимальна, когда он находится в верхней мертвой точке. В реальном сценарии эта сила будет иметь более сложную зависимость от θ. Шатун поддерживает эту нагрузку за счет своей реакции на поршень.Интересно, что эта реакция, F c , всегда происходит по длине шатуна, как показано на рисунке ниже.


Схема свободного тела поршня.

Таким образом, вертикальный компонент реакции, F a , поддерживает давление газа на поршень. Однако есть дополнительный горизонтальный компонент, F r , действующий на поршень. Он толкает поршень к стенкам цилиндра. Эта сила, величина которой равна

F_r = F \ tan \ alpha = \ frac {Fr_c \ sin \ theta} {\ sqrt {l_c ^ 2-r_c ^ 2 \ sin ^ 2 \ theta}}

также необходимо наносить на поршень, когда он движется в цилиндре.

Чтобы смоделировать такую ​​проблему, мы начнем с создания геометрии поршня. Мы можем использовать модель Linear Elastic Material в интерфейсе Solid Mechanics для моделирования гибкости поршня. Движение поршня задается с помощью функции Rigid Connector , которая также доступна в интерфейсе Solid Mechanics . Движение поршня в вертикальном направлении (направление z ) задается, как получено из геометрических соображений выше.Кроме того, поршень не может вращаться вокруг своей оси ( z -ось). Боковое перемещение и наклон поршня освобождаются, что достигается за счет баланса сил на поршне. Эти условия можно указать с помощью параметра, показанного на изображении ниже, в функции Rigid Connector .


Снимок экрана, показывающий предписанное движение и смещение поршня.

Горизонтальная нагрузка на поршень, исходящая от шатуна, моделируется с помощью подфункции Applied Force на элементе Rigid Connector .

Снимок экрана, показывающий функцию Applied Force и ее настройки .

Расчет гидравлического трения на поршне требует оценки силы сопротивления движению поршня со стороны смазочной пленки. Хотя мы можем моделировать цилиндр и поршень вместе (со смазкой между ними), нет необходимости моделировать цилиндр, потому что он остается неподвижным. Стационарное состояние цилиндра можно напрямую указать в интерфейсе Hydrodynamic Bearing .

Из-за бокового движения поршня изменяется зазор между поршнем и цилиндром, что существенно влияет на толщину смазки. Таким образом, распределение давления в смазочной пленке также зависит от относительного движения соприкасающихся границ. При высоких нагрузках деформация поршня также может изменить толщину пленки. Если отношение давления в пленке к эффективной жесткости контактирующих границ мало, деформацией при контакте можно пренебречь.В противном случае необходимо учитывать деформацию контактирующих границ, поскольку она играет значительную роль в определении эффективного трения между контактирующими границами. Моделирование этого класса задач классифицируется как эластогидродинамическое моделирование (EHD). В этом случае, поскольку ожидается, что уровни давления будут низкими, на толщину пленки будет в значительной степени влиять поперечное движение поршня, а не его деформация.

Для моделирования смазочной пленки мы применяем тонкопленочную аппроксимацию уравнений Навье-Стокса и неразрывности, чтобы получить уравнение Рейнольдса, которое решается на поверхности, а не в области жидкости.Интерфейс Hydrodynamic Bearing решает уравнение Рейнольдса и может использоваться для получения распределения давления в пленке на поверхности поршня. Параметры, необходимые для моделирования смазочной пленки, - это начальная толщина пленки, вязкость и плотность смазки, а также движение соприкасающихся границ. Вся эта информация указана в функции Hydrodynamic Journal Bearing интерфейса Hydrodynamic Bearing .

Обратите внимание, что элемент Hydrodynamic Journal Bearing , как правило, может моделировать подшипник скольжения, где шейка претерпевает осевое вращение в дополнение к поступательному движению.Эту функцию также можно использовать в случаях, когда нет осевого вращения шейки, как поршень в данной модели. Движение соприкасающихся границ может быть легко передано элементу Hydrodynamic Journal Bearing с помощью встроенной мультифизической функции Solid-Bearing Coupling . Как упоминалось в предыдущем разделе, эта функция автоматически применяет силы из-за давления и сдвига смазки в пленке на границе конструкции.

Визуализация результатов моделирования

Анимация ниже показывает распределение давления в пленке и напряжение в поршне, когда деталь совершает возвратно-поступательное движение.Чтобы подчеркнуть боковое движение поршня, возвратно-поступательное движение поршня подавляется.

Напряжение по Мизесу в поршне (слева) и давление в пленке (справа).

Вы можете увидеть изменение напряжения после полупериода поршня. Обратите внимание, что во время хода вверх, когда шатун толкает поршень на правой стенке, давление увеличивается с правой стороны поршня и уменьшается с левой стороны. При движении вниз направление меняется на противоположное.

Изменение во времени силы, действующей на поршень в вертикальном направлении из-за сдвига смазочной пленки, показано на рисунке ниже.


Скорость поршня и вязкая сила.

Обратите внимание, что сила вязкости, действующая на поршень, всегда противоположна его скорости. Коэффициент вязкой силы (коэффициент демпфирования) определяется отношением вязкой силы к скорости поршня. В данном случае это примерно 8 Н * с / м.

Пример поршневого двигателя

Модель поршневого двигателя с гидродинамическими подшипниками, доступная в Библиотеке приложений с модулем Rotordynamics, демонстрирует этапы объединения структурного или многотельного моделирования с гидродинамическими подшипниками.В этом примере рассматривается одноцилиндровый поршневой двигатель, поддерживаемый посредством гидродинамических опор скольжения на фундаменте. При приложении давления газа к поршню анализируется динамика различных компонентов двигателя. Во время работы двигателя нагрузка на поршень передается на фундамент через шатун, кривошип и подшипники.

Давление в подшипниках и напряжения в фундаменте анализируются, чтобы понять характеристики подшипников и изменение напряжений в фундаменте в течение одного рабочего цикла.Также анализируется напряжение в коленчатом валу. На анимации ниже показано изменение напряжения в коленчатом валу и основании, а также результирующее распределение давления в подшипнике во время его работы. Давление в подшипнике является самым высоким во время хода поршня вниз под давлением газа.

Поршневой двигатель: напряжения в коленчатом валу и основании, а также давление в подшипнике.

Вязкий момент на подшипнике нанесен для различных рабочих циклов.Когда поршень достигает верхней мертвой точки, давление в цилиндре становится самым высоким. В этот момент давление в подшипнике также очень велико, а эксцентриситет шейки максимален. Это создает сильное трение на шейке, которое проявляется в виде резких отрицательных пиков на графике вязкого момента. Обратите внимание, что вязкий крутящий момент составляет примерно 10% от крутящего момента нагрузки (примерно 16 Нм), что довольно важно, и его нельзя игнорировать при вычислении потерь в двигателе.

Вязкий крутящий момент в подшипнике (слева), а также крутящий момент и крутящий момент на коленчатом валу (справа).

Следующие шаги

Узнайте больше о специальных функциях моделирования характеристик потока тонкопленочной смазки, доступных в модуле Rotordynamics, нажав кнопку ниже.

Обратите внимание, что этот продукт (а также модуль Multibody Dynamics) является дополнением к Модулю структурной механики и COMSOL Multiphysics.

Дополнительная литература
  • Подробнее о моделировании подшипников в блоге COMSOL:
.

Структурные и функциональные особенности основных синовиальных суставов и их значение для остеоартрита

1. Введение

Остеоартрит (ОА) считается заболеванием органа, которое может поражать все суставные и периартикулярные ткани, такие как суставной хрящ, синовиум , связки, капсула, субхондральная кость и периартикулярные мышцы [1-3]. Понимание структурных и функциональных особенностей сустава имеет большое значение для диагностики и лечения ОА.Хотя ОА может возникать в любом синовиальном суставе тела, в основном он поражает суставы, отвечающие за вес / нагрузку, такие как коленные, тазобедренные, кистевые и голеностопные суставы. В этой главе мы сосредоточимся только на структурных и функциональных особенностях основных синовиальных суставов и их значении для остеоартрита.

2. Плечевой (плечевой) сустав

Плечевой сустав представляет собой шаровидное соединение, образованное неглубокой суставной впадиной лопатки и головкой плечевой кости.Полость сустава немного углублена кольцевидной структурой фиброзного хряща, называемой «суставной губой», которая прикрепляется к краю суставной полости. Благодаря своей структуре сустав имеет широкий диапазон движений во всех направлениях. Однако его широкий диапазон подвижности сопровождается нестабильностью. Только около 1/3 площади поверхности головки плечевой кости прикрепляется к суставной впадине. Головка плечевой кости удерживается на суставной впадине мышцами вращающей манжеты, а именно надостной, подостной, малой круглой и подлопаточной мышцами.Эти четыре мышцы расположены вверху, сзади и спереди с трех сторон вокруг суставной полости.

Фиброзная капсула сустава берет начало от края суставной впадины и прикрепляется к анатомической шейке плечевой кости. Расположение суставной капсулы очень рыхлое, особенно внизу, когда рука полностью приведена (в анатомическом положении), что обеспечивает большое разделение между костями сустава и свободу движений [4]. Имеется два отверстия: одно открывается в направлении межбубной борозды (борозды) плечевой кости, позволяя длинной головке сухожилия двуглавой мышцы проходить в полость сустава, другое - к сумке подлопаточной мышцы, расположенной впереди и ниже клювовидного отростка плечевой кости. лопатка.Синовиальная оболочка выстлана внутренней поверхностью суставной капсулы. Кроме того, он образует трубчатую оболочку, охватывающую длинную головку сухожилия двуглавой мышцы плеча и переходящую в межбубную канавку.

Есть две внутренние связки, которые являются частью суставной капсулы: плечево-плечевая связка, укрепляющая переднюю часть капсулы, и клювовидно-плечевая связка, расположенная выше. Кроме того, поперечная плечевая связка удерживает длинную головку сухожилия двуглавой мышцы плеча внутри межбубчатой ​​борозды, а корако-акромиальная связка стабилизирует плечевой сустав сверху.

Сухожилие надостной мышцы проходит латерально между акромионом лопатки и верхней частью суставной капсулы и прикрепляется к большому бугорку плечевой кости. Синовиальная сумка, называемая «субакромиальной / субдельтовидной сумкой», расположена между акромионом и сухожилием мышцы, чтобы предотвратить трение последнего о кость. Вторая сумка, связанная с плечевым суставом, расположена впереди-ниже клювовидного отростка на шейке лопатки.Он защищает сухожилие подлопаточной мышцы от трения о шейку лопатки. Эта бурса сообщается с полостью сустава.

Плечевой сустав перемещается по трем осям плюс окружность. Обширный диапазон движений сустава обусловлен его структурной особенностью, большой головкой плечевой кости, сочлененной с небольшой суставной впадиной и рыхлой суставной капсулой. Многие мышцы перемещают плечевой сустав, включая торакоаппендикулярные мышцы (мышцы, которые берут начало от грудной стенки и прикрепляются к плечевой кости) и лопатно-плечевые мышцы (мышцы, которые берут начало от лопатки и прикрепляются к плечевой кости).

Плечевой сустав снабжен передней и задней огибающей плечевой артерии и надлопаточной артерией. Сустав иннервируется подмышечными и боковыми грудными нервами [5].

Наиболее часто наблюдаемые травмы плечевого сустава и связанной с ним сумки:

  1. Субакромиальный / субдельтовидный бурсит, вызванный износом.

  2. Тендинит надостной мышцы, обычно как дальнейшее развитие субакромиального бурсита.

  3. Тендинит двуглавой мышцы, воспалительный процесс длинной головки двуглавой мышцы внутри межбуглерной борозды. Этот процесс может сопровождаться разрывом сухожилия и / или поперечной плечевой связки.

  4. Воспаление подлопаточной сумки (бурсит).

  5. Вывих плечевого сустава, который часто случается при вывихе головки плечевой кости вниз. Если вывих головки плечевой кости расположен кпереди от длинной головки сухожилия трехглавой мышцы плеча, это называется «передним вывихом».Факторы риска травмы плеча включают занятия спортом, мужской пол, молодой или пожилой возраст [6,7]. Молодые активные люди могут испытывать вывих или частичный вывих плеча во время упражнений, тренировок или соревнований. В проспективных когортных исследованиях молодых военнослужащих наблюдались устойчивые вывихи плеча или частичные вывихи плеча от 3% до 6% [8,9].

  6. Перелом хирургической шейки плечевой кости. Этот перелом часто вызывает повреждение подмышечного нерва.

  7. Нестабильность сустава. Нестабильность плеча - серьезная проблема из-за особенностей строения плечевого сустава. Исследования молодых и взрослых пациентов выявили вероятность рецидивной нестабильности плеча после стандартного неоперативного лечения от 55% до 67%, при этом у молодого мужского населения повторяющиеся травмы наблюдались с частотой 87% в течение пятилетнего периода наблюдения [8,10 ]. Рандомизированные клинические испытания показали, что хирургическая стабилизация плеча более эффективна для предотвращения рецидива травмы, чем только иммобилизация и реабилитация [11-13].Выявление конкретных структурных рисков, связанных с нестабильностью плеча, является еще одним способом борьбы с повторяющимися вывихами плеча.

ОА в плечевом суставе. Первичный ОА плечевого сустава встречается сравнительно редко и чаще встречается у женщин и пациентов старше 60 лет [14,15]. У более молодых пациентов это обычно вызвано травмами сустава, которые произошли несколькими годами ранее, такими как вывих сустава, перелом, разрыв вращательной манжеты и травма суставной губы.

3. Локтевой сустав

Локтевой сустав представляет собой сложную структуру, состоящую из трех костей, плечевой, локтевой и лучевой, которые соединяются вместе. В одной суставной капсуле заключены три сустава: плечевой сустав, плечевой сустав и проксимальный лучевой сустав.

Плечевой сустав образуется между блоком плечевой кости и блокированной вырезкой локтевой кости. Это типичный шарнирный сустав, способный сгибаться и разгибаться. Плечевой сустав образуется между головкой плечевой кости и головкой лучевой кости.Головка представляет собой шарообразную структуру, которая позволяет головке лучевой кости, которая представляет собой дискообразную структуру, сочленяющуюся с головкой на ее плоской поверхности, перемещаться в двух направлениях: сгибание и разгибание, а также осевое вращение относительно головки. Проксимальный лучевой сустав образуется между головкой лучевой кости (круглая поверхность) и лучевой вырезкой локтевой кости. Лучевая структура вращается относительно локтевой структуры, когда предплечье выполняет действия пронации и супинации.

Фиброзная капсула сустава окружает локтевой сустав с четырех сторон, причем передняя и задняя стороны слабее, чем на медиальной и латеральной сторонах.Поэтому вывих локтевого сустава часто бывает кпереди или кзади. Синовиальная оболочка выстилает внутреннюю поверхность капсулы фиброзного сустава.

Фиброзная капсула сустава утолщается с медиальной и латеральной сторон, образуя медиальную (локтевую) или латеральную (радиальную) коллатеральные связки. Локтевая коллатеральная связка представляет собой связку треугольной формы, состоящую из трех компонентов: передней шнуровидной связки (наиболее прочной), задней веерообразной связки и косой связки. Радиальная коллатеральная связка имеет веерообразную форму и соединяет латеральный надмыщелок плечевой кости с кольцевидной связкой головки лучевой кости.Кольцевая связка представляет собой кольцевую связку, которая окружает дискообразную головку лучевой кости по окружности и фиксирует ее в радиальной вырезке локтевой кости.

Движение в локтевом суставе включает сгибание / разгибание и пронацию / супинацию. В локтевом суставе участвует более десятка мышц, которые участвуют в движении сустава. Кровоснабжение локтевого сустава осуществляется анастомозирующими ветвями от плечевой артерии, лучевой артерии и локтевой артерии. Этот сустав иннервируют кожно-мышечный, лучевой и локтевой нервы.

ОА в локтевом суставе: Локоть является одним из наименее пораженных остеоартритом суставов из-за хорошо подобранных суставных поверхностей и сильных стабилизирующих связок. В результате локтевой сустав может выдерживать большие нагрузки, не становясь нестабильным. Развитие остеоартроза локтевого сустава обычно связано с предыдущими травмами сустава.

4. Лучезапястный (лучезапястный) сустав

Лучезапястный сустав представляет собой мыщелковый сустав. Проксимальная поверхность сустава - это дистальный конец лучевой кости и суставного диска.Поверхность дистального сустава образована тремя из проксимального ряда костей запястья (ладьевидной, полулунной и трехгранной). Локтевая и горохообразная части не участвуют в формировании лучезапястного сустава. Суставной диск представляет собой фиброзно-хрящевую структуру треугольной формы, которая соединяет шиловидный отросток локтевой кости с дистальным концом лучевой кости. Дистальный конец локтевой кости расположен проксимальнее суставного диска и, таким образом, не контактирует с костями запястья.

Фиброзная суставная капсула укреплена несколькими связками, которые все являются частью фиброзной суставной капсулы.Кпереди проходит ладонная лучезапястная связка. Сзади находится дорсальная лучезапястная связка. На медиальной стороне находится локтевая коллатеральная связка, которая прикрепляется к шиловидному отростку локтевой кости. На боковой стороне находится лучевая коллатеральная связка, которая прикрепляется к радиальному шиловидному отростку. Синовиальная оболочка выстилает внутреннюю поверхность капсулы фиброзного сустава и образует многочисленные синовиальные складки.

Движение в лучезапястном суставе включает сгибание / разгибание, отведение / приведение и циркумдукцию.Этот сустав перемещается многими мышцами от предплечья до кисти. Запястный сустав снабжен ладонной и дорсальной дугами запястья, которые являются ветвями лучевой и локтевой артерий. Иннервация этого сустава осуществляется срединным, лучевым и локтевым нервами.

ОА в лучезапястном суставе: остеоартроз запястья может быть вызван различными причинами, как идиопатическими, так и травматическими. К травматическим причинам ОА запястья относятся повреждения связок, суставного хряща и кости. Хотя травмы многих связок запястья могут привести к прогрессирующему артрозу запястья, известно, что хронический разрыв скафолунатной связки, в частности, вызывает межзапястную нестабильность, изменение кинематики запястья и нагрузку на суставы, а также дегенерацию лучезапястного сустава.Перелом и последующее несращение ладьевидной кости также приводит к ряду предсказуемых дегенеративных изменений. ОА запястья также может возникать вследствие внутрисуставного перелома дистального отдела лучевой кости или локтевой кости или из-за внесуставного перелома, приводящего к неправильному сращению и аномальной нагрузке на сустав [16].

5. Суставы кисти

В руке есть несколько групп суставов. От проксимального до дистального отдела, это следующие группы:

  1. Межкарпальные суставы: это суставы между запястными костями в каждом ряду и между проксимальным и дистальным рядами.Это суставы плоского типа с небольшим движением, и большинство из них имеют общую суставную полость.

  2. Запястно-пястные и межпястные суставы: это суставы между дистальным рядом костей запястья и пястными костями, а также между каждой пястной костью. Они сгруппированы вместе, потому что имеют общую полость сустава. Это все суставы плоского типа, за исключением запястно-пястного сустава большого пальца (1 st цифр), который является суставом седловидного типа.

  3. Пястно-фаланговые суставы: это суставы между пястными костями и проксимальными фалангами. Это кондиллоидные суставы, позволяющие двигаться в двух направлениях (сгибание / разгибание и приведение / отведение).

  4. Межфаланговые суставы: это суставы между каждой фалангой. Это шарнирные соединения.

ОА в руке: ОА кисти является распространенным заболеванием. Это не одно заболевание, а разнородная группа заболеваний. Это может проявляться в виде сужения остеофита или суставной щели, межфаланговых узлов или эрозии основания большого пальца [17-19].

6. Тазобедренный сустав

Тазобедренный сустав представляет собой шаровидное соединение, образованное головкой бедра (шар) и вертлужной впадиной таза (гнездо). Это очень стабильный сустав, который принимает на себя весь вес верхней части тела, но при этом поддерживает широкий диапазон движений.

Головка бедра покрыта суставным хрящом, за исключением центра, где углубление, называемое «ямкой», позволяет прикрепить связку к головке бедра.

Вертлужная впадина образована слиянием трех костей таза: лобковой, седалищной и подвздошной.Это полусферическая полая втулка, обращенная переднебоковой стороной. Край вертлужной впадины называют «ободком вертлужной впадины», который покрыт суставным хрящом полулунной формы, называемым «полулунной поверхностью вертлужной впадины». Это неполный круг с отсутствующей нижней частью. Отсутствующий нижний сегмент называется «вертлужной вырезкой». Эта выемка перекрывается «поперечной связкой вертлужной впадины», которая является частью фиброзно-хрящевого кольца, прикрепляемого к краю вертлужной впадины. Эта кольцевая структура в форме губ называется «вертлужная губа».Увеличивает суставную поверхность вертлужной впадины на 10%. Центральная часть вертлужной впадины не покрыта суставным хрящом; скорее, он заполнен толстой подушечкой. Эта область называется «вертлужной ямкой», которая имеет тонкую стенку от седалищной кости и сообщается с вырезом вертлужной впадины (рис. 1).

Рис. 1.

Иллюстрация тазобедренного сустава, вид сбоку. Связка головки бедренной кости рассечена, а головка бедренной кости вывихнута, чтобы показать внутреннюю структуру вертлужной впадины.

Более половины головки бедренной кости входит в вертлужную впадину, что делает сустав наиболее устойчивым для нагрузки.

Капсула тазобедренного сустава имеет прочный фиброзный слой. Он прикрепляется к краю вертлужной впадины проксимально, шейке бедренной кости, межвертельной линии и большому вертлугу дистально. Большая часть волокон этой суставной капсулы проходит по спирали между двумя ее концами. Это особенно верно, когда тазобедренный сустав разгибается в положении стоя (анатомическое положение).В этом положении суставная капсула затягивается, плотно прижимая головку бедренной кости к вертлужной впадине. При сгибании тазобедренного сустава, например, в сидячем положении, волокна капсулы спирального сустава «разматываются» и становятся прямыми. Волокна выпрямленной суставной капсулы длиннее, чем их спиральное состояние, что делает суставную капсулу более подвижной. Синовиальная оболочка выстилает внутреннюю поверхность капсулы фиброзного сустава и образует синовиальные складки на шейке бедра.

Есть три внутренних связки сустава, которые являются частью суставной капсулы.

  1. Подвздошно-бедренная связка: Y-образная связка, расположенная спереди-выше сустава. Он прикрепляется к передней нижней подвздошной ости и к краю вертлужной впадины проксимально и к межвертельной линии дистально. Это сильнейшая связка тела, предотвращающая чрезмерное растяжение тазобедренного сустава.

  2. Лобно-бедренная связка: связка, расположенная спереди и снизу, соединяющая лобковую кость и подвздошно-бедренную связку. Он работает вместе с последним, чтобы предотвратить чрезмерное растяжение тазобедренного сустава.Он также защищает сустав от чрезмерного отведения.

  3. Ишиофеморальная связка: связка, расположенная сзади между седалищной костью и шейкой бедра / большим вертелом.

Связка головки бедренной кости фактически представляет собой синовиальную складку, расположенную внутри полости сустава. Он прикрепляется к ямке головки бедренной кости на одном конце и к поперечной вертлужной связке на другом. Внутри этой связки проходит небольшая артерия. Это слабая связка, не имеющая большого значения для стабильности сустава.

Движение тазобедренного сустава обширное по всем трем осям (сгибание / разгибание, отведение / приведение и медиальное / латеральное вращение) плюс циркумдукция. На его движение также влияет положение колена и позвоночника. При движении тазобедренного сустава задействованы мышцы ягодичной области, поясничной области, передней части бедра, медиальной части бедра и задней части бедра. Некоторые мышцы перемещают сустав более чем в одном направлении.

Основное кровоснабжение тазобедренного сустава - ретинакулярные артерии, отходящие от медиальной и латеральной огибающей бедренной артерии.Оба являются ветвями глубокой артерии бедра или бедренной артерии. Медиальная и латеральная огибающая артерии проходят по межвертельному гребню и межвертельной линии бедра и анастомозируют друг с другом. Сетчатые артерии ответвляются от огибающих артерий и проходят вдоль шейки бедра, достигая головки бедренной кости и тазобедренного сустава. Когда происходит перелом шейки бедра, повреждаются ретинакулярные артерии, что приводит к снижению кровоснабжения головки бедренной кости и тазобедренного сустава.

«Закон Хилтона» гласит, что нерв, который иннервирует мышцы, двигающие сустав, также иннервирует сустав. Следующие нервы иннервируют мышцы, приводящие в движение тазобедренный сустав: бедренный нерв, запирательный нерв, а также верхние и нижние ягодичные нервы.

ОА тазобедренного сустава. Помимо идиопатического ОА, перелом вертлужной впадины является известной причиной посттравматического ОА тазобедренного сустава [20]. Дисплазия вертлужной впадины является предиктором ОА бедра и последующей артропластики бедра [21]. Повышенная распространенность рентгенологического ОА бедра и остеофитоза наблюдается в случаях с высокой костной массой (ГБМ) по сравнению с контрольной группой [22].Кроме того, развитие ОА коленного сустава связано с вариациями анатомии бедра и таза [23].

7. Коленный сустав

Коленный сустав состоит из трех костей: бедра, голени и надколенника. По сути, это шарнирный сустав для сгибания и разгибания с дополнительными движениями, такими как скольжение (между бедренной костью и надколенником), перекатывание (между бедренной костью и голенью) и вращение (между бедренной и большеберцовой костью). В этом суставе три сустава: медиальный бедренно-большеберцовый (между медиальными мыщелками бедра и большеберцовой кости), латеральный бедренно-большеберцовый (между латеральными мыщелками бедра и большеберцовой кости) и бедренно-пателлярный (между бедренной костью и надколенником).Шарнирные поверхности бедренной кости имеют шарообразную форму, а суставные поверхности большеберцовой кости плоские. Когда они шарнирно соединяются друг с другом, это похоже на два шара, помещенных на искривленную поверхность стола, что делает шарнирное соединение очень нестабильным. Связки, мениски и мышцы укрепляют коленный сустав (рис. 2).

Рис. 2.

Иллюстрация, показывающая передний вид коленного сустава с основными внутрисуставными и периартикулярными тканями. Связка надколенника отражена вниз вместе с прикрепленной надколенником.

Фиброзная капсула коленного сустава на некоторых участках утолщается, превращаясь в внутренние связки сустава. Спереди фиброзная капсула сливается с сухожилием четырехглавой мышцы, надколенником и связкой надколенника, так что эти структуры становятся частью передней фиброзной суставной капсулы. Сзади капсула фиброзного сустава имеет отверстие в медиальном мыщелке большеберцовой кости. Это отверстие позволяет сухожилию подколенной мышцы выйти из суставной капсулы и прикрепиться к большеберцовой кости.

Синовиальная оболочка выстилает внутреннюю поверхность капсулы фиброзного сустава.В центре сустава, где в межмыщелковой ямке находятся передняя и задняя крестообразные связки, синовиальная мембрана выходит из задней фиброзной капсулы и отражается кпереди в область межкодильной ямки, образуя «синовиальную складку надколеночной кости». Эта синовиальная складка исключает крестообразные связки и жировую подушечку надколенника из полости сустава и почти разделяет полость коленного сустава на медиальную и латеральную половины. Эта уникальная анатомическая особенность позволяет хирургам приближаться к крестообразным связкам через заднюю фиброзную капсулу, не попадая в полость сустава.Однако синовиальная оболочка не покрывает следующие суставные структуры: суставные хрящи на бедре и голени, заднюю поверхность надколенника и мениски.

Вокруг коленного сустава около 12 бурс; некоторые из них сообщаются с полостью сустава.

Спереди 5 бурс. Надколенник - это большая глубокая сумка, расположенная над надколенником и под сухожилием четырехглавой мышцы. Сообщается с полостью сустава. Синовиальная оболочка коленного сустава становится выстилкой этой сумки.Существует 2 сумки препателлы: субсухожильная сумка препателлы расположена между сухожилием надколенника и надколенником, а подкожная сумка препателлы расположена между кожей и сухожилием надколенника. Также существует 2 надколенниковые сумки: глубокая надколеночная сумка расположена между сухожилием надколенника и большеберцовой костью, а подкожная надколеночная сумка расположена между кожей и сухожилием надколенника.

Сзади есть несколько сумок, связанных с прикреплением мышц вокруг коленного сустава, например, икроножная сумка, полумембранозная сумка и подколенная сумка.Эти сумки менее значимы с клинической точки зрения, чем сумки, расположенные в передней части колена.

Коленный сустав укреплен двумя группами связок, внешними связками и внутренними связками. Наружных связок коленного сустава пять, и большинство из них являются частью фиброзной суставной капсулы (внутренние связки).

Связка надколенника - это дистальная часть сухожилия четырехглавой мышцы, когда оно охватывает надколенник и продолжает вставляться в бугристость большеберцовой кости. На каждой стороне связки надколенника, отходящей от апоневроза медиальной широкой мышцы бедра и латеральной широкой мышцы бедра, расположены медиальная и латеральная «ретинакула надколенника», которые помогают поддерживать положение надколенника.

На каждой стороне коленного сустава по две боковые связки. Медиальная (большеберцовая) коллатеральная связка (MCL или TCL) представляет собой плоскую широкую полосу фиброзной суставной капсулы. Его волокна переходят в медиальный мениск, соединяющий их. При травме MCL чаще всего поражается медиальный мениск. Боковая (малоберцовая) коллатеральная связка (LCL или FCL) представляет собой шнуровидную прочную экстракапсулярную связку. Он прикрепляется к головке малоберцовой кости, разделяя сухожилие двуглавой мышцы бедра. Он отделен от суставной капсулы сухожилием подколенной мышцы и поэтому не связан с боковым мениском.

Косая и дугообразная подколенные связки располагаются кзади от коленного сустава и укрепляют суставную капсулу сзади.

Внутренние или внутрисуставные связки включают крестообразные связки и связки мениска. Крестообразные связки расположены внутри фиброзной капсулы сустава в межмыщелковой ямке, но вне синовиальной оболочки и, следовательно, вне полости сустава. Они пересекаются друг с другом и играют важнейшую роль в поддержании контакта между бедренной и большеберцовой костью, когда колено согнуто.В каком бы положении ни находился коленный сустав, одна из крестообразных связок остается в напряжении.

Передняя крестообразная связка (ACL) возникает из передней межмыщелковой области большеберцовой кости кзади от места прикрепления медиального мениска, проходит задне-латерально и прикрепляется к медиальной поверхности латерального мыщелка бедренной кости. Когда ACL проходит через заднюю крестообразную связку (PCL), она находится на боковой стороне PCL. ACL предотвращает движение бедренной кости кзади от плато большеберцовой кости, когда колено разгибается.Когда коленный сустав согнут, ACL предотвращает переднее движение большеберцовой кости от бедренной кости [24,25].

Задняя крестообразная связка (PCL) отходит от задней межмыщелковой области большеберцовой кости, проходит вперед по медиальной стороне ACL и прикрепляется к латеральной поверхности медиального мыщелка бедренной кости. Он сильнее, чем ACL. Когда коленный сустав разгибается, PCL предотвращает переднее движение бедренной кости от большеберцового плато. Когда колено согнуто, PCL предотвращает движение большеберцовой кости кзади от бедренной кости.

Из-за анатомического соотношения между двумя крестообразными связками медиальное вращение большеберцовой кости ограничено примерно 10 ° , когда колено сгибается. Это связано с тем, что ACL прижимается к PCL, и последний блокирует перемещение ACL медиально во время вращения. В той же ситуации, но с изменением направления, боковое вращение большеберцовой кости составляет около 60 ° , потому что две крестообразные связки отодвигаются друг от друга.

Мениски представляют собой фиброхрящевые структуры серповидной формы, расположенные на суставной поверхности большеберцовой кости.Они более толстые по наружным краям и тонкие по центральным краям, тем самым углубляя поверхность большеберцовой суставной поверхности. Они прикрепляются своими концами к межмыщелковой области большеберцовой кости и к капсуле фиброзного сустава с каждой стороны. Помимо этих прикреплений, мениски не прикрепляются к другим структурам сустава. Следовательно, они подвижны вместе с движением коленного сустава. Медиальный мениск имеет С-образную форму, прикрепляется к медиальной коллатеральной связке и менее подвижен. Боковой мениск почти О-образный и более подвижный.

Движение в коленном суставе в основном сгибается и разгибается. Во время этих действий надколенник скользит по бедренной кости, а бедренная кость перекатывается по большеберцовому плато. Когда коленный сустав находится в полностью вытянутом положении и ступня находится на земле, бедренная кость может повернуться на 5 ° медиально вдоль своей продольной оси на большеберцовом плато. Это блокировка колена. Когда колено «заблокировано», коленный сустав устойчив к нагрузке, а мышцы бедра и ноги могут ненадолго расслабиться.Чтобы «разблокировать» колено, подколенная мышца поворачивает бедро в сторону примерно на 5 ° [26-28].

При разгибании коленного сустава зона соприкосновения бедренной и большеберцовой кости смещается вперед; когда колено согнуто, эта зона контакта перемещается назад. В результате мениски, особенно латеральный мениск, перемещаются вперед при разгибании и назад при сгибании.

Кровоснабжение коленного сустава осуществляется от коленных артерий, ответвляющихся от подколенной артерии.Вокруг коленного сустава образуются обширные анастомозы. Нервная иннервация коленного сустава подчиняется закону Хилтона посредством бедренного, запирательного и седалищного нервов.

Коленный сустав - наиболее уязвимый сустав для травм. Наиболее часто повреждаются структуры ACL, MCL и медиальный мениск. Коленный сустав из-за своей способности выдерживать нагрузку также является наиболее пораженным суставом при ОА [29–31].

8. Голеностопный сустав

Голеностопный сустав - это шарнирное соединение трех костей: дистального отдела большеберцовой кости, дистального отдела малоберцовой кости и верхней поверхности таранной кости.Дистальный конец большеберцовой кости образует L-образную суставную поверхность, горизонтальная часть которой сочленяется с таранной костью сверху, а ее вертикальная сторона сочленяется с таранной костью на медиальной стороне. Дистальный конец большеберцовой кости образует медиальную лодыжку. Малоберцовая кость сочленяется с таранной костью на боковой стороне и образует латеральную лодыжку. Дистальный отдел большеберцовой кости и дистальный отдел малоберцовой кости соединены связками, образующими открытое прямоугольное углубление, похожее на паз, обращенное вниз. Верхняя поверхность таранной кости находится внутри паза, как блок, образуя голеностопный сустав с тремя суставными поверхностями, верхняя и медиальная большеберцовая кость и латеральная малоберцовая кость.

Верхняя суставная поверхность таранной кости имеет не прямоугольную форму, а скорее трапециевидную, с более широким передним размером и более узким задним размером. Когда голеностопный сустав сгибается тыльно, более широкая передняя часть таранной кости находится в пазу, образованном большеберцовой и малоберцовой костью. В этой ситуации у таранной кости мало места для перемещения внутри полости сустава. Следовательно, голеностопный сустав наиболее стабилен при тыльном сгибании стопы. Напротив, при подошвенном сгибании голеностопного сустава более узкая задняя часть таранной кости располагается внутри паза, и у таранной кости больше места для ее движения.В этой ситуации голеностопный сустав нестабилен и уязвим для травм.

Суставная капсула голеностопного сустава рыхлая спереди и сзади, но укреплена с каждой стороны коллатеральными связками. Синовиальная оболочка выстилает внутреннюю поверхность фиброзной капсулы.

Связки голеностопного сустава можно разделить на те, которые стабилизируют большеберцовую и малоберцовую кости, и те, которые расположены с каждой стороны сустава.

Между большеберцовой и малоберцовой костями находится межкостная связка.Кроме того, имеются передняя верхняя тибиофибулярная связка, передняя нижняя тибиофибулярная связка спереди и задняя тибиофибулярная связка сзади. Все эти связки укрепляют связь между большеберцовой и малоберцовой костью и стабилизируют голеностопный сустав.

На боковой стороне голеностопного сустава фиброзная капсула сустава укреплена боковыми связками голеностопного сустава. Это внутренние связки суставов (являющиеся частью фиброзной суставной капсулы) и фактически представляют собой три отдельные структуры (рис. 3А).

  1. Передняя таранно-малоберцовая связка - от латеральной лодыжки до таранной кости.

  2. Задняя таранно-малоберцовая связка - от латеральной лодыжки до таранной кости сзади.

  3. Пяточно-малоберцовая связка - от латеральной лодыжки до боковой поверхности пяточной кости.

Медиальная связка голеностопного сустава также называется дельтовидной связкой голеностопного сустава. Это веерообразная связка, которая берет начало от медиальной лодыжки и прикрепляется к нескольким костям дистально.Последовательно от переднего к заднему участкам медиальной связки голеностопного сустава относятся передняя большеберцовая часть, тибионно-ладьевидная часть, тибиококально-пяточная часть и задняя тибиоталарная часть (рис. 3C).

Основными движениями голеностопного сустава являются тыльное сгибание и подошвенное сгибание. Голеностопный сустав может слегка отводить и приводить. Когда стопа находится в подошвенном сгибании в сочетании с приведением, движение является инверсионным (рис. 3В). Когда стопа находится в тыльном сгибании в сочетании с отведением, голеностопный сустав выполняет выворот (рис. 3D).

Рис. 3.

(A) Изображение основных боковых связок голеностопного сустава и большеберцовых связок. (B) Типичная инверсионная травма лодыжки, которая приводит к повреждению боковых связок лодыжки. (C) Дельтовидная связка, которая является основным связочным комплексом медиальной лодыжки. (D) Типичная эверсионная травма голеностопного сустава, которая приводит к повреждению медиальных связок голеностопного сустава.

Кровоснабжение голеностопного сустава осуществляется через переднюю большеберцовую артерию, заднюю большеберцовую артерию и малоберцовую артерию, которая является ветвью задней большеберцовой артерии.Иннервация нерва осуществляется большеберцовым нервом и глубоким малоберцовым нервом.

Травма голеностопного сустава: голеностопный сустав - второй сустав, который демонстрирует высокую подверженность травмам. Тяжелая травма основных связок голеностопа может вызвать нестабильность сустава.

Как и травмы колена, травмы лодыжки часто возникают во время занятий спортом или физических упражнений; следовательно, в исследованиях заболеваемости часто используются популяции спортсменов. Например, на травмы голеностопного сустава приходится 14% всех спортивных травм, а на растяжения связок голеностопного сустава приходится более 75% травм голеностопного сустава [32–34].Передняя таранно-малоберцовая связка - это наиболее часто травмируемая связка голеностопного сустава, которая, по оценкам, является причиной 85% растяжений, полученных во время занятий спортом в средней школе США [35]. Основной проблемой, сопровождающей травму голеностопного сустава, является высокая частота рецидивов, связанных с хронической нестабильностью голеностопного сустава. Примерно 15% всех растяжений голеностопного сустава происходит в лодыжках с предшествующей травмой связок [35]. Современные модели хронической нестабильности голеностопного сустава (CAI) идентифицируют больных как людей, испытывающих - индивидуально или в сочетании - механическую нестабильность, воспринимаемую нестабильность и повторяющиеся растяжения связок.Дальнейшая характеристика пациентов с CAI по конкретным нарушениям, ограничениям активности и ограничениям участия может помочь в разработке целевых программ лечения и снижения травматизма [36].

Остеоартрит голеностопного сустава: Идиопатический остеоартроз часто встречается в суставах кистей, стоп, колена, позвоночника и тазобедренных суставов, но редко возникает в голеностопном суставе, главным образом из-за его стабильной анатомической структуры. Однако риск посттравматического ОА в голеностопном суставе, по крайней мере, не менее велик, чем риск для других суставов.Различия между суставами в конгруэнтности, толщине суставного хряща, передаче силы через суставные поверхности, стабильности суставов и наличии менисков могут сделать некоторые суставы более уязвимыми для ОА. Например, у колена толстые мениски, а у лодыжки - нет. Кроме того, голеностопный сустав имеет меньшую опорную поверхность и более ограниченный. Дистальная большеберцовая суставная поверхность имеет гораздо более тонкий хрящ, чем проксимальная большеберцовая суставная поверхность. Механическая нагрузка на суставную поверхность дистального отдела большеберцовой кости после повреждения хондры вызывает более высокие деформации субхондральной кости, чем нагрузка на проксимальную суставную поверхность большеберцовой кости.Эти различия могут сделать дистальную суставную поверхность большеберцовой кости более уязвимой для деградации хряща и развития остеоартрита [37–42].

9. Заключение

В этой главе суммируются структурные и функциональные особенности основных синовиальных суставов человеческого тела и их значение для травм суставов и развития ОА. Хотя ОА может поражать любой синовиальный сустав, распространенность ОА в определенных суставах тесно связана с их структурными и функциональными особенностями. Идиопатический ОА редко встречается в голеностопных, запястьях, локтях и плечах, но часто встречается в суставах рук, стопы, колена, позвоночника и тазобедренных суставов.Риск посттравматического остеоартрита в голеностопном суставе, запястье, локте и плече, по-видимому, так же велик, как и риск для кисти, стопы, колена и бедра. Различия между суставами в конгруэнтности суставной поверхности, толщине суставного хряща, передаче механических усилий, стабильности суставов, связанной со структурой связок, и наличии менисков могут сделать некоторые суставы более уязвимыми для развития ОА. Лучшее понимание структурных и функциональных особенностей основных синовиальных суставов человеческого тела может помочь нам разработать более эффективные стратегии профилактики и лечения ОА.

Выражение признательности

Эта работа была частично поддержана грантом Национального института здравоохранения США (NIH) / NIAMS R01 AR059088, грантом Министерства обороны США на медицинские исследования W81XWH-12-1-0304 и Фондом выдающихся профессоров Харрингтона. Авторы благодарят г-на Чжаоян Лю за редакторскую помощь.

.

Обзор совместной макро- и микроструктуры, свойств и моделирования процессов

Точечная сварка трением с перемешиванием (FSSW) - очень полезный вариант традиционной сварки трением с перемешиванием (FSW), которая показывает большой потенциал для замены одиночной сварки трением. процессы точечного соединения, такие как контактная точечная сварка и клепка. О FSSW было много отчетов и о некоторых промышленных приложениях. На основе открытых литературных источников были обобщены особенности и варианты процесса, макро- и микроструктурные характеристики, механические свойства полученных соединений и численное моделирование процесса FSSW.Кроме того, были рассмотрены некоторые применения FSSW в аэрокосмической, авиационной и автомобильной промышленности. Наконец, были указаны текущие проблемы и проблемы, которые существовали в FSSW.

1. Введение

В последнее время все чаще используются легкие металлы, такие как алюминиевые сплавы, особенно в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где чрезвычайно важна экономия веса [1]. Точечная сварка сопротивлением, лазерная точечная сварка и клепка широко используются для сборки листов из алюминиевых сплавов.Однако обычная контактная точечная сварка имеет недостатки, такие как расход инструмента во время соединения, большая тепловая деформация и низкая прочность сварного шва в соединениях; дефектов пористости не избежать лазерной точечной сваркой; клепка увеличивает вес компонентов, а необходимое сверление увеличивает стоимость [2]. Следовательно, для соединения деталей из алюминиевых сплавов требуются новые процессы точечной сварки.

Сварка трением с перемешиванием (FSW) была разработана TWI в 1991 году [3, 4]. Он предлагает различные преимущества, такие как небольшая термическая деформация, хорошие механические свойства, тонкая и однородная микроструктура сварного шва, высокая эффективность сварки и экологически чистый процесс сварки, которому уделяется значительное внимание при сварке алюминиевых сплавов [5–7].По мере разработки FSW сообщалось об исследованиях FSW других передовых материалов, таких как магниевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы, стали и суперсплавы.

В качестве варианта FSW была предложена точечная сварка трением с перемешиванием (FSSW) для реализации точечной сварки. Он демонстрирует большой потенциал для замены процессов одноточечного соединения, таких как контактная точечная сварка и клепка, и имеет более широкое применение в аэрокосмической, авиационной и автомобильной областях [7]. На сегодняшний день существует множество отчетов о FSSW, в которых основное внимание уделяется процессу, микроструктурным характеристикам, механическим свойствам и численному моделированию.Этот обзор суммирует эти аспекты о FSSW.

2. Процессы FSSW

Обычный FSSW был изобретен Mazda Motor Corporation в 1993 году [8], он похож по концепции и внешнему виду на своего предшественника FSW. Как показано на рисунке 1, процесс FSSW состоит из трех этапов: погружение, перемешивание и втягивание [9]. Процесс начинается с того, что инструмент вращается с высокой угловой скоростью. Затем инструмент вдавливается в заготовки до тех пор, пока буртик инструмента не коснется верхней поверхности верхней заготовки, образуя точку сварки.Плавное движение инструмента вызывает выталкивание материалов. После погружения начинается этап перемешивания, когда инструмент достигает заданной глубины. На этом этапе инструмент продолжает вращаться в заготовках. Тепло трения генерируется на этапах погружения и перемешивания, и, таким образом, материалы, прилегающие к инструменту, нагреваются, размягчаются и смешиваются на этапе перемешивания, где будет сформировано твердотельное соединение. Когда будет получено приемлемое соединение, инструмент отводят от заготовок.Этот шарнир имеет характерную выемку посередине, которая значительно снижает механические свойства шарниров [9].

Чтобы устранить замочную скважину или повысить прочность соединений, было предложено несколько способов, таких как FSSW заправки, FSSW без штифтов и FSSW с поворотом [8].

2.1. Сменный стержень FSSW

Сменный стержень FSSW был разработан и запатентован Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Германия [10]. Как показано на рисунке 2, процесс повторного заполнения FSSW состоит из четырех фаз: трение, первая экструзия, вторая экструзия и вытягивание.В этом процессе инструмент состоит из трех частей: штифта, втулки и зажима. Зажим плотно удерживает пластины на опоре, а также ограничивает поток материала во время процесса. В то время как штифт и втулка начинают вращаться в одном направлении, они могут независимо перемещаться в осевом направлении. Штифт и втулка движутся в противоположном направлении (т.е. один погружается в материал, а другой движется вверх), создавая пространство, в котором размещается пластифицированный материал. После достижения заданной глубины врезания штифт и втулка движутся обратно к поверхности пластины, заставляя перемещенный материал полностью заполнять замочную скважину.Наконец, инструмент извлекается из соединения, оставляя плоскую поверхность с минимальными потерями материала [11].

По этому процессу меньше заявлений из-за сложных процедур, длительного времени ожидания и высокой стоимости. Однако замочную скважину можно исключить и повысить прочность сварного шва.

2.2. Бесштыревой FSSW

Бесштыревой FSSW был изобретен Tazokai. В этом процессе в 2009 г. был предложен инструмент без зонда, но со спиральной канавкой на его плечевой поверхности [1, 12].Этот вид бесштифтового инструмента имеет много преимуществ, более простой процесс и лучший внешний вид с неглубокой замочной скважиной или без нее. Этот процесс схематически показан на рисунке 3. Недавно полученные предварительные данные показали, что этот подход может быть использован для получения высокопрочных сварных швов с коротким временем выдержки [12, 13].

2.3. Swing FSSW

Swing FSSW был разработан TWI, Великобритания. В этом процессе инструмент после врезания движется по заданной траектории (Рисунок 4). Этот процесс увеличивает фактическую площадь сварного шва и прочность соединений [14], но не может устранить замочную скважину.


2.4. Другой новый процесс FSSW

Чтобы получить сварное соединение без замочной скважины, Sun et al. [15–17] использовали новую технику FSSW. Этот процесс состоит из двух этапов (рис. 5), на первом этапе для обычных FSSW используется специально разработанная задняя пластина с круглой вмятиной. После первого шага в стыке образуется замочная скважина вместе с выступом на нижнем листе из-за перетекания материала в вмятину. На втором этапе используется инструмент без штифта и плоская задняя пластина, чтобы успешно удалить как замочную скважину, так и выступ.Этот новый процесс был применен в алюминиевых сплавах 6061 и 5052 [16].


3. Макроструктура и микроструктура стыков FSSW
3.1. Макроструктура стыков FSSW

Ван и Ли [18] исследовали макроструктуру сварных точечных швов трением с перемешиванием в образцах алюминия 6061-T6, работающих на сдвиг внахлест. В ходе их исследования на верхней поверхности сварного шва наблюдалась капля. Толщина материала верхнего листа под выступом уступа уменьшилась под действием сжимающего действия инструмента, что, следовательно, привело к расширению верхнего листа.Однако лист был изогнут по внешней окружности уступа уступа под давлением соседнего материала. При этом было показано, что выдавленный материал скапливается по внешней окружности уступа плеча. Подобное явление наблюдалось в стыках микросварок пятна трения [19].

В сварном шве FSSW были обнаружены три отчетливые области: зона перемешивания (SZ), зона термомеханического воздействия (TMAZ) и зона термического влияния (HAZ) [11, 18], а серая область представляет SZ (Рисунок 6 ).Для пополнения FSSW Uematsu et al. [20] обнаружили, что сварной шов делится на три зоны: смешанная зона (MZ), зона перемешивания (SZ) и основной металл (PM) (рис. 7). В MZ зерна были немного крупнее, чем в SZ, потому что материал в этой области перемешивался сильнее, чем в SZ, и в MZ было больше тепла во время процесса заполнения. Однако для Swing FSSW Ян и др. [21] показали, что сварной шов имел три области: область пластического кольца, зону термомеханического влияния, зону термического влияния и основной металл.



Макроструктура поперечного сечения швов в разное время пребывания наблюдалась Fujimoto et al. [22]. При времени выдержки 0,4 с наблюдалась полосатая картина, вызванная пластической деформацией в области, прилегающей к штифту. Через 0,8 с было показано, что образовалась пара небольших темных участков. Видимо, область увеличивалась с увеличением времени пребывания инструмента. Для стыков из оцинкованной стали белый слой был обнаружен на верхних листах всех образцов.Авторы объяснили это фазовым превращением оцинкованной стали или реакцией между инструментом и стальными листами [23].

Известно, что на макроскопический вид стыка FSSW влияют температура и пластическая деформация материала. Более того, параметры сварки (в основном включают скорость вращения, время выдержки, глубину врезания и скорость врезания) определяют теплоту трения во время сварки. Следовательно, при изменении параметров сварки макроскопический вид меняется. Юань и др. [24] продемонстрировали, что большая область соединения сварного шва AA6016-T4 может быть получена при более низкой скорости вращения.Причина заключалась в том, что тепловложение увеличивалось с увеличением скорости вращения инструмента, что, в свою очередь, уменьшало количество материала в зоне перемешивания. Ли и др. [25] сообщили, что глубина врезания увеличивалась с увеличением времени выдержки и скорости врезания при точечной сварке AA2024 трением с перемешиванием без штифта. Точно так же Baek et al. [23] показали, что зазор в области кромки соединения уменьшается с увеличением глубины врезания инструмента.

Feng et al. [26] обнаружили, что морфология границы раздела между листом из алюминиевого сплава и стальным листом изменяется с изменением температуры плавления слоя покрытия.В их исследовании стальные листы покрывали чистым цинком (GI), цинковым сплавом (ZAM), сплавом Al-Si (AS) и цинковым сплавом, включая Fe (GA). Для ZAM и GI площадь соединения была достигнута в ограниченной области, близкой к периферии зонда. На притертой поверхности раздела под зондом был зазор (рис. 8 (а)). Тем не менее, область соединения проходит через перекрывающийся интерфейс под зондом для AS и GA (рис. 8 (b)). Температура плавления ZAM и GI была ниже температуры сварки настоящего FSSW.Гальванический слой расплавится, поэтому под зондом может образоваться тонкая жидкая пленка гальванического слоя, которая может предотвратить прямой контакт алюминия и стали. Тонкая жидкая пленка затвердеет и образует усадочную полость при понижении температуры. Однако AS и GA, у которых температура плавления слоя покрытия была выше температуры сварки, имели другое явление.

Общие металлургические зоны на поперечных сечениях сварного шва FSSW - это зацепление, частичное соединение и связка (Рисунок 9).Зацеп имел форму перевернутой буквы V; частичное соединение было переходной областью, где соединение между верхним и нижним листом было не таким прочным, и это была короткая и неровная линия на поперечном сечении соединения; связка представляет собой полосчатую структуру за счет течения материала и силы проникновения в суставе [11, 27]. Шен и др. пояснял ленточную структуру захватом алклада в стык, когда нижний лист уходил вверх [28]. Многие исследователи изучали зацепление, происходящее от стыковой поверхности двух листов [24, 28, 29].Юань и др. [24] объяснили это незавершенным разрушением пленки оксида алюминия. Другие объяснили это плохой сыпучестью материалов и недостаточным давлением [28]. Бадаринараян и др. [29] показали, что зацеп с цилиндрическим штифтом плавно уходил вверх, а крючок с треугольным штифтом заканчивался около SZ.


Другой распространенный дефект, который можно увидеть в сварном шве, - это отсутствие дефектов. Для заправки стыка FSSW из сплава 6061-T4 Шен и др. [27] обнаружили, что пустоты, которые возникли из-за недостаточного потока материала, образовывались на зацеплении и на пути, по которому рукав погружается в лист.Другие объяснили это термической усадкой, захватом воздуха или некоторыми физико-химическими реакциями [30].

3.2. Микроструктура соединений FSSW

Под действием тепла трения и перемешивания SZ представляла собой мелкие равноосные зерна из-за рекристаллизации [15, 18, 19, 31]. Размер зерен в СЗ увеличивался с увеличением скорости вращения [31]. На размер зерен SZ повлияла форма инструмента. Был сделан вывод, что треугольный штифт дает более мелкое зерно, чем цилиндрический штифт [29, 32].Sun et al. [15] сообщили, что SZ имеет низкую плотность дислокаций из-за рекристаллизации. На всей площади сварных швов AZ31 и AM60 Ямамото и др. [33] наблюдали мелкие равноосные зерна a-Mg диаметром <10 мкм мкм. Шен и др. [28] исследовали добавку FSSW AA7075, твердые осадки SZ растворялись и разбивались на частицы при перемешивании инструмента. Зерна на границе штифта и втулки были мельче, чем в центре, потому что материалы на границе перемешивались сильнее, чем в других областях.

ТМАЗ испытал как нагревание от трения, так и деформацию, в результате чего образовались сильно деформированные зерна [31]. В ТМАЗ наполнителя AA7075 FSSW рекристаллизация не наблюдалась из-за недостаточной деформационной деформации [28]. Скорость нагрева FSSW была высокой, что ограничивало растворение частиц второй фазы в TMAZ [34]. Следовательно, Инь и др. [34] наблюдали зерен α -Mg для сварного шва AZ31. Подобное явление было обнаружено в сварном шве AZ91 [35].

ЗТВ испытала только термический цикл сварки, в результате которого зерна стали более крупными [35].Для повторного соединения FSSW AA7075 в HAZ были более крупные упрочняющие выделения, чем в BM [28].

Для нового метода FSSW, используемого Sun et al. [15, 16], когда скорость вращения была ниже 700 об / мин на первом этапе, после второго этапа можно было найти только один SZ и TMAZ. Однако, когда скорость вращения была выше 700 об / мин на первом этапе, SZ и TMAZ, сформированные на первом этапе, могли перекрываться теми, которые сформировались на втором этапе. После второго этапа в сварном шве можно было увидеть два вида СЗ и ТМАЗ.

Yin et al. [36] сообщили, что SZ сварного шва AZ91-AZ31 FSSW содержала разнородные перемешанные ламели AZ31 и AZ91, которые имели аналогичный химический состав с составами листовых материалов AZ31 и AZ91 до точечной сварки. Кроме того, диффузия алюминия на границах AZ91 и AZ31 может быть замечена EDS [36]. Сообщалось также о диффузии растворенного вещества в сварном шве Al5754-Al6111 [37].

4. Имущество стыков ПВС
4.1. Предел прочности при растяжении соединений FSSW

При испытаниях на сдвиг при сжатии образцов использовались прокладки из того же материала и той же толщины, что и образец, для создания чистого сдвига [11].Обычно это два образца: образцы на растяжение-сдвиг и образцы поперечного растяжения. Юань и др. [24] указали, что скорость вращения и глубина погружения были основными факторами, влияющими на прочность на сдвиг. Zhang et al. [31] сообщили, что прочность сустава в основном определяется скоростью вращения, в то время как время выдержки существенно не влияет на нее. Хотя Lin et al. [38] сообщили о другом явлении, в их исследовании экспериментальные результаты показали, что скорость вращения и время выдержки были доминирующими факторами для прочности на сдвиг.Прочность образцов увеличивалась с увеличением времени выдержки, что было связано с ростом зерен. Аналогичное явление наблюдалось в полиэтиленовых листах [39] и соединениях 5754-O / 7075-T6 [40]. Оптимальные параметры сварки улучшат прочность сварного шва. Улучшение прочности сварного шва от исходных параметров сварки до оптимальных параметров сварки составило около 47,7% для полипропилена высокой плотности [41].

Для образца с поперечным растяжением прочность при растяжении и сдвиге зависела от скорости вращения, в то время как время выдержки имело меньшее влияние на прочность.Прочность сварного шва достигла максимальных 902,1 Н [31]. Бадаринараян и др. [29, 32] сообщили, что образец поперечного растяжения показал те же результаты с образцом на растяжение-сдвиг в испытаниях на растяжение-сдвиг.

Tozaki et al. [1] исследовали образец AA6061-T4 на растяжение и сдвиг в FSSW без штифта. Было указано, что толщина верхнего листа под уступом () и фактический размер самородка () являются двумя важными геометрическими параметрами, которые определяют прочность сварных швов на растяжение и сдвиг.Размер увеличивался с увеличением скорости вращения инструмента и времени задержки. При нагрузке сдвигом и растяжением увеличение размера привело к увеличению прочности на сдвиг из-за увеличения эффективной площади [42, 43]. Для образца с поперечным растяжением преобладала прочность сварного шва. Размер уменьшался с увеличением времени ожидания и скорости вращения инструмента. Следовательно, прочность на поперечное растяжение соответственно уменьшилась [42]. AA6061 показал аналогичные результаты [43]. Для сплавов FSSW с добавлением магния AZ31 прочность сварных швов на растяжение и сдвиг зависела от морфологии крюка и входящего трения [44].

Морфология инструмента влияет на сварной шов. Бадаринараян и др. [29, 32] показали, что прочность шва, выполненного с помощью треугольного штифта, была вдвое выше, чем прочность шва, выполненного с помощью цилиндрического штифта, что объясняется размером зерна, а также видом разрушения при растяжении. Choi et al. [45] сравнивали прочность на растяжение и сдвиг сварного шва FSSW из сплава алюминия 5J32 при трех формах инструмента (инструмент с резьбовым штифтом: TPT; цилиндрический инструмент: CT; цилиндрический инструмент с выступом: CTP). Результаты показали, что выступ CTP замедляет вертикальную деформацию сустава; следовательно, предел прочности при растяжении и сдвиге быстро увеличивается с увеличением глубины врезания инструмента.Для TPT и CT прочность соединения при растяжении и сдвиге не увеличилась из-за уменьшения толщины верхней пластины, которая уменьшалась с увеличением глубины врезания. Максимальная прочность для CTP составила около 4600 Н, что выше, чем у двух других форм инструмента [45]. Bilici и Ykler [39] сообщили, что прочность сустава изменяется с изменением угла вогнутости. Максимальная прочность была получена при угле вогнутости плеча 6 °.

Для шва FSSW из разнородных материалов вариации прочности сварного шва зависели от материала, расположенного на верхней стороне конфигурации образца [40, 46, 47].В случаях разнородных FSSW между объемным металлическим стеклянным сплавом и кристаллическим сплавом, когда кристаллический металл располагался на верхней стороне, он демонстрировал более высокую нагрузку на разрушение по сравнению с противоположным [46, 47].

При испытаниях на сдвиг и растяжение обычно используются три различных режима разделения: разделение при межфазном сдвиге, разделение самородков при вытаскивании и разделение трещин верхнего или нижнего листа. Соединение с отрывом изломов самородка имело более высокую прочность [48]. Для образца, работающего при растяжении-сдвиге, трещины межфазного сдвигового разделения инициируются преимущественно в вершине трещины в сварном шве и распространяются вдоль соединенной границы раздела [38].Для разделения самородков при выдвижении два листа имели тенденцию к разделению при частичном скреплении под нагрузкой. Это расслоение привело к образованию кольцевой трещины, окружающей SZ, что привело к уменьшению эффективной площади сдвига соединения. Было указано, что окружные трещины зарождаются только на одном или обоих листах. На верхнем листе наблюдались только два места зародышеобразования - кончик зацепления и дефекты сварки, в то время как оно инициировалось на границе раздела между частичным сцеплением и заеданием нижнего листа [11].Режимы разделения в основном зависели от площади СЗ [40]. Tozaki et al. [42] исследовали режим разделения образцов как при растяжении-сдвиге, так и при поперечном растяжении. Результаты показали, что окончательные формы разрушения были связаны с толщиной верхнего листа по внешней окружности уступа уступа () [42].

Пракаш и Мутукумаран [49] исследовали FSSW заправки алюминия Al-Mg-Si в исследовании, соединение, которое имело более высокую прочность, чем соединение, сделанное разговорным FSSW, потому что процесс заправки увеличивал эффективную площадь поперечного сечения самородка.Uematsu et al. [20] также сообщили, что процесс повторного заполнения улучшил предел прочности на разрыв примерно на 30%. Многие люди продемонстрировали, что сварной шов, выполненный бесштифтовым инструментом, имел более высокую прочность, чем сварной шов, сделанный обычным инструментом [1, 13, 50–52]. Хотя Cox et al. [12] сообщили, что прочность на разрыв сварных швов, выполненных с помощью бесштифтового инструмента, составляла в среднем 90% от обычного FSSW, для FSSW с поворотом, Yan et al. [21] показали, что предел прочности на разрыв увеличился примерно на 40% по сравнению с обычными FSSW.

Zhang et al. [31] применили инструмент для перемещения на расстояние около 5 мм в направлении ширины и оставили полный сварной шов длиной около 5 мм, что было названо шагающей FSSW.По сравнению с разговорным FSSW, прочность соединений, сваренных шагающим FSSW, немного улучшилась. В испытаниях на сдвиг и растяжение, как для образцов на сдвиг, так и на поперечное растяжение, отслоение самородка сначала происходило около замочной скважины, а затем трещина распространялась в сторону шагающей стороны, в результате чего сам самородок на шагающей стороне вырывался [31].

4.2. Усталостная прочность соединений FSSW

Было обнаружено, что усталостные трещины распространяются через вершину зацепления [53]. Также обычно есть два образца: образцы на сдвиг и поперечное растяжение.Анализ фрактографии показал, что эффективная толщина верхнего листа, межфазное зацепление и микроструктура существенно влияют на усталостное поведение точечных сварных швов трением с перемешиванием в магниевых сплавах [54]. В подобных сварных швах режим разрушения не имел отношения к уровням нагрузки для образцов с перегибом внахлест, и трещина имела место в нижнем листе при высоких или низких уровнях нагрузки [55, 56]. Однако режимы усталости FSSW в AZ31 зависели от амплитуды циклической нагрузки [53, 57]. Вырыв самородка происходил при большой амплитуде нагрузки, а трещина распространялась по ширине образцов при низкой амплитуде нагрузки [53].Аналогичным образом Tran et al. [58] исследовали режимы разрушения 5754 и 6111 подобных сварных швов. Результат показал, что в условиях квазистатического нагружения сварные швы в основном разрушались из-за почти плоской поверхности излома через самородок. В условиях малоцикловой нагрузки оба типа сварных швов в основном выходили из строя через верхнюю толщину листа. В условиях многоциклового нагружения оба типа сварных швов в основном выходили из строя по толщине верхнего и нижнего листа [58].

Для разнородных сварных швов со сдвигом внахлест для листов A6061 и листов из низкоуглеродистой стали режимы усталостного разрушения зависели от уровня усталостной нагрузки.Разрушение при сдвиге через поверхность раздела происходит при высоких уровнях нагрузки, а усталостная трещина прорастает через верхний лист при низких уровнях нагрузки [55, 56]. Tran et al. [59] исследовали, что режим разрушения сварных швов 5754-7075 в образцах с перегибом внахлест в условиях квазистатического нагружения, трещина распространялась по окружности ядра в условиях циклического нагружения, трещина распространялась в направлении ширины образца, а в левой части нижний лист был в конечном итоге отделен (Рисунок 10). Аналогичное явление имело место в сварных швах разнородных сварных швов внахлестку из сплава AZ31B-h34 Mg и сплава 5754-O Al; в (вверху) Al-Mg (внизу) с клеевым межслойным сварным швом разрушение самородка произошло при высоких циклических нагрузках.При низких циклических нагрузках в нижнем листе Mg произошло усталостное разрушение. Для (вверху) Mg-Al (внизу) с адгезивным межслойным швом, режимы разрушения самородка с вырыванием наблюдались как при высоких, так и при низких циклических нагрузках [61]. Усталостные трещины между сварными швами Al-сталь и Mg-сталь в основном росли через границу раздела [57]. Результаты были аналогичны результатам Mg-Al в [61].

Для образца с поперечным растяжением Lin et al. [60] исследовали режимы разрушения при FSSW алюминиевых листов 6061-T6. В их исследовании было два различных режима отказов самородка при извлечении (рис. 11).В условиях квазистатического и малоциклового нагружения верхний самородок вытаскивался, а нижний самородок - при многоцикловом нагружении [60]. Для сварных швов 5754-7075 образцов поперечного растяжения Tran et al. [59] сообщили, что в условиях квазистатического нагружения трещина распространяется по толщине верхнего листа; в условиях циклического нагружения трещина распространялась вдоль межфазной поверхности в направлении вниз к центральному отверстию.

Hassanifard et al. [62] представил новый метод увеличения срока службы и усталостной прочности точечной сварки трением с перемешиванием в алюминиевом сплаве 7075-T6.Этот метод состоял из двух этапов: на первом этапе замочная скважина в середине стыка была перенесена в необсаженную скважину посредством сверления; на втором этапе образцы в необсаженном стволе были отведены для процесса холодного расширения с целью создания сжимающих остаточных напряжений. Результаты показали, что холодное расширение может увеличить усталостную долговечность соединений без изменения их режимов разрушения [62].

Uematsu et al. [20] сообщили, что усталостная прочность FSSW заправки была ниже, чем у соединения с отверстием для зонда при низких и высоких приложенных нагрузках.При высоких приложенных нагрузках авторы объяснили это различием режима разрушения между FSSW заправки и разговорной FSSW [20].

5. Моделирование процесса FSSW

Для оптимизации параметров процесса и разработки новых инструментов FSSW важно понимать физику этого сложного процесса, который включает усталостную долговечность, температурный градиент и прочность, посредством численного моделирования [63]. Ван и Чен [64] разработали модель роста усталостной трещины, основанную на законе Парижа и местных факторах интенсивности напряжений, для прогнозирования усталостной долговечности алюминиевых швов 6061-T6 со сдвигом внахлест; результаты хорошо согласуются с экспериментальными результатами.Lin et al. [60] получили аналогичные результаты. Более того, моделирование, проведенное для сварных швов со сдвигом внахлест из сплава AZ31, показало, что размер межфазного крюка имел большое влияние на усталостную долговечность соединения [63].

Что касается теплоты трения, Аванг и Муцино [65] использовали модель материала Джонсона-Кука для анализа выработки энергии при FSSW из алюминиевого сплава 6061-T6. Результаты показали, что пиковая температура на кончике стержня и энергия фрикционной диссипации согласуются с экспериментальной работой Герлиха и др.[66]. Разница составила около 5,1%. Теплота трения на границе раздела инструмента и заготовки генерировала больше всего энергии, которая составила около 96,84%; скорость вращения и скорость погружения также оказывают значительное влияние на энергию диссипации трения [65].

Для оптимизации параметров сварки FSSW и повышения прочности сварных швов Atharifar [67] использовал искусственную нейронную сеть для оптимизации параметров сварки. Эта сеть была разработана с тремя параметрами процесса в качестве входов и тремя переменными процесса в качестве выходов.Выходы были выбраны как предел прочности сварного шва на разрыв, нагрузка на погружение и время выдержки. Результаты показали, что полученные оптимумы параметров FSSW действительны, и сварные швы с более высокой прочностью, меньшей нагрузкой на погружение и более коротким временем выдержки были получены за счет использования этих параметров [67]. Kulekci et al. [68] сравнили факторный дизайн и нейронную сеть. Нейронная сеть была лучше, чем метод факторного проектирования для прогнозирования прочности на сдвиг в алюминиевых сплавах 5005.Кроме того, метод регрессионного анализа был использован для анализа взаимосвязи между прочностью на растяжение и сдвигом и параметрами сварки FSSW, и было обнаружено, что высота штифта является основным фактором прочности на разрыв и сдвиг соединений FSSW [68]. Однако Картикеян и Баласубраманян [69] сообщили, что скорость погружения имеет большее влияние на прочность на сдвиг. Авторы также разработали эмпирическую зависимость для прогнозирования прочности на сдвиг соединений FSSW из алюминиевого сплава AA2024-T3 и применили методологию поверхности отклика для достижения максимальной прочности сварных швов на сдвиг.

Kim et al. [70] использовали два способа разработки термомеханического моделирования AA5083-h28 и AA6022-T4. Двумя методами были коммерческий метод конечных элементов (МКЭ), основанный на лагранжиане, и метод конечных объемов (FVM), основанный на формулировках Эйлера. Влияние геометрии штифта на прочность сварного шва и расход материала было изучено путем моделирования [70].

Для заправки FSSW, Muci-Küchler et al. [63] представили полностью связанную термомеханическую модель конечных элементов для прогнозирования распределения температуры, деформации, напряжения и деформации в соединениях.Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными исследованиями [63]. Зацепление ухудшит свойства соединения. Чтобы выявить механизм образования зацепления во время FSSW без штифта, Zhang et al. [71] разработали трехмерную полностью связанную термомеханическую модель КЭ; Результаты показали, что образование крючков можно в основном объяснить разницей в потоке материала в разных зонах сварного шва.

6. Резюме и перспективы

В настоящее время процесс FSSW стал одним из наиболее оптимальных процессов для замены традиционной точечной контактной сварки и клепки при соединении легких конструкционных металлов, таких как алюминиевые и магниевые сплавы, в автомобильной и аэрокосмической промышленности отрасли.

FSSW можно разделить на четыре типа: обычная FSSW, заправочная FSSW, бесштырьковая FSSW и поворотная FSSW. Обычно в стыках FSSW наблюдаются три отдельные области: зона перемешивания (SZ), зона термомеханического воздействия (TMAZ) и зона термического влияния (HAZ). В испытаниях на растяжение-сдвиг обычно существует три различных режима разрушения: разделение на межфазный сдвиг, разделение самородков и разделение трещин на верхнем или нижнем листе. Усталостные трещины обычно распространяются через конец зацепления.Однако до сих пор нет зрелой теории и обширной базы данных для приложений FSSW. Надежность суставов до конца не изучена. Насколько известно авторам, есть еще важные вопросы, которые необходимо раскрыть. (1) Следует уделять больше внимания методам FSSW без дефекта «замочной скважины» (FSSW заправки, FSSW без штифтов и другие новые процессы). FSSW следует увеличить. Помимо алюминия и магниевых сплавов, инженерные пластмассы и другие материалы также должны быть включены в область исследований.(3) Гибкое, многоцелевое и надежное оборудование FSSW должно быть разработано для лучшего применения в промышленном производстве.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что они не имеют прямого отношения к какой-либо коммерческой идентичности, которая может привести к конфликту интересов для любого из них.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить за финансовую поддержку Образовательного фонда Фок Ин-Тонг для молодых учителей высших учебных заведений Китая (131052), Фонда фундаментальных исследований NPU (JC201233) и проекта 111 ( B08040).

.

Сварка трением: процесс, типы и преимущества

Сварка трением, как следует из названия, использует трение для сварки соединений. В процессе соединения не используется внешний нагрев.

Таким образом, сварка трением - это не сварка плавлением, а процесс сварки в твердом состоянии, при котором получаемое соединение часто имеет такую ​​же прочность, как и основной металл. Этот метод сварки используется в нескольких отраслях промышленности для соединения деталей.

Давайте подробно рассмотрим, как работает этот метод, и его преимущества.

СВЯЗАННЫЕ С: ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА: ТИПЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Если вы потрете ладони друг о друга, вы заметите, что ваши ладони станут горячими. Чем дальше вы увеличиваете давление и скорость, тем теплее становится.

Тот же принцип тепловыделения за счет трения используется при сварке трением, когда металлические детали трутся друг о друга с чрезвычайно высокой скоростью и давлением.

Это взаимодействие между двумя поверхностями приводит к механическому трению.Даже если два свариваемых материала могут показаться невооруженным глазом гладкими, на микроскопическом уровне есть неровности. Этих неровностей достаточно, чтобы между их поверхностями возникло трение.

Когда два материала подвергаются сварке трением, относительное движение между собой и прикладываемое к ним давление создают тепло в точках контакта. По мере продолжения процесса тепловыделение также увеличивается, и два материала начинают становиться вязкими в точках контакта.

Опять же, движение между двумя частями способствует смешиванию двух частей в точках их контакта, создавая соединение или сварной шов.

Любой процесс сварки, в котором для создания соединения используется трение, можно назвать сваркой трением. Однако в основном существует четыре типа процессов сварки трением.

Давайте кратко рассмотрим каждый из них, чтобы понять тонкие различия между ними.

Сварка трением с вращением: Один из двух материалов вращается по поверхности другого там, где требуется сварка.В процессе используется сжимающая осевая сила и высокие скорости вращения.

Эта комбинация приводит к пластификации двух материалов, что в конечном итоге приводит к их соединению.

Линейная сварка трением: В этом типе сварки трением один из материалов колеблется относительно другого на высоких скоростях с высокими сжимающими силами при возвратно-поступательном движении. Возникающее в результате тепло, выделяемое на поверхностях, приводит к пластификации металла, а оксиды или поверхностные загрязнения выгорают или удаляются по бокам.

Сварка трением с перемешиванием: Для сварки трением с перемешиванием используется специальный инструмент с цилиндрическим буртиком и профилированным штифтом для создания сварных швов. Булавка проходит по шву двух заготовок, пока плечо не коснется шва.

Затем инструмент вращается там, где трение между заплечиком и швом смягчает металл. Профилированный штифт линейно перемещается по линии шва, перемешивая мягкий металл и создавая при этом соединение.

Точечная сварка трением с перемешиванием: Точечная сварка трением с перемешиванием - это один из типов сварки трением с перемешиванием с одним существенным отличием.

При сварке трением с перемешиванием инструмент перемещается по шву деталей. Однако при точечной сварке трением с перемешиванием инструмент вращается в точке, а не перемещается.

Он вращается и создает сварной шов, а инструмент поднимается вверх, образуя выходное отверстие, в которое был введен профилированный штифт.

Скорость, с которой происходит относительное движение, и давление, прикладываемое к заготовкам, зависят от величины тепла, необходимого для создания сварного шва между двумя металлическими частями.Для стали при сварке трением возникает температура от 900 до 1300 по Цельсию .

Многие используют инерционную сварку и сварку трением как синонимы. Однако инерционная сварка - это разновидность сварки трением.

Точнее, инерционная сварка - это разновидность ротационной сварки трением. Сварка получила название "инерционная сварка" из-за способа вращения.

В этой технике соединения одна из заготовок остается неподвижной, а другая устанавливается на шпиндель.Шпиндель вращается с высокой скоростью для создания трения между двумя металлическими поверхностями.

Здесь максимальная скорость вращения шпинделя фиксирована и зависит от типа материала, который он удерживает, и температуры, которой он должен достичь, чтобы сварить две детали вместе.

Как только шпиндель достигает максимальной скорости вращения, привод отключается, и неподвижная заготовка доверяется вращающейся заготовке. Заготовка продолжает вращаться сама по себе за счет силы инерции, возникающей в результате кинетической энергии.

Не все методы сварки обеспечивают одинаковые результаты соединения. Следовательно, тип сварки выбирается на основе свойств, придаваемых соединению в процессе сварки.

Давайте обсудим некоторые преимущества использования сварки трением:

Позволяет соединять разнородные металлы: Одним из основных преимуществ сварки трением является то, что ее можно использовать для соединения разнородных металлов.

Вот некоторые из распространенных биметаллических фрикционных соединений:

  • Алюминий к стали
  • Медь с алюминием
  • Титан с медью
  • Никелевый сплав со сталью

Как правило, любой кованный металл можно сваривать трением.Это дает больше свободы инженерам, поскольку они могут создавать биметаллические конструкции благодаря сварке трением.

Соединения меди с алюминием обычно считаются негрубыми, но при сварке трением это возможно.

Нет внешнего приложения тепла или флюса: Сварка трением не требует внешнего тепла или флюса, что делает процесс простым и менее беспорядочным.

Минимальные дефекты или их отсутствие: Одним из преимуществ твердотельной сварки является то, что она содержит минимальные дефекты или их отсутствие по сравнению со сваркой плавлением.Те же эффекты переносятся и на сварку трением.

Очень быстрый процесс: Сварка трением считается одним из самых быстрых методов сварки, она выполняется в два или даже в 100 раз быстрее, чем обычные швы плавлением.

Не требует большой подготовки поверхности: Обработанные, пропиленные или разрезанные поверхности можно соединить сваркой трением. Однако присутствие смазочных материалов или масел не допускается для достижения оптимальных условий сварки.

Сварка трением - это общий термин, охватывающий несколько типов сварочных процессов.Многие отрасли промышленности полагаются на сварку трением для создания соединений, которые иначе не поддаются разборке.

Это быстрый, эффективный и один из самых популярных вариантов для сварки в твердом состоянии.

.

Смотрите также