شبيه‌ سازي عددي فرآيند سوراخ‌ كاري استخوان جمجمه‌ توسط جت آب

Numerical Simulation of Cranial Bone Perforation Process Using Water Jet

در اين مقاله، مسئلۀ سوراخ‌كاري سطح استخوان جمجمۀ انسان به‌ شكل نيم‌كره بااستفاده از جت آب به‌صورت عددي شبيه‌سازي سه‌بعدي شده‌است. شبيه‌سازي شامل هر دو بخش جريان و انتقال حرارت جت آب برخوردي و فرايند تراشه‌برداري سطح مي‌شود. براي مدل‌سازي جريان دو فازي جت، از روش حجم سيال و براي سوراخ‌كاري سطح استخوان، از معادلات جانسون- كوك در روش اجزاي محدود استفاده ‌شده‌است. نتايج به‌دست‌آمده نشان مي‌دهد كه ضرايب فشار و اصطكاك روي سطح برخورد، بستگي به فاصلۀ نازل از سطح دارند و فشار با كمتر شدن فاصلۀ نازل از سطح در نقطۀ سكون افزايش مي‌يابد. هم‌چنين با افزايش فاصلۀ نازل از سطح، عدد ناسلت محلي در امتداد شعاع نيم‌كره و ماكزيمم ناسلت در نقطۀ سكون هر دو كاهش مي‌يابند. اثر قطر نازل بر ضرايب فشار و اصطكاك نيز بررسي شد و ديده شد كه فشار با افزايش قطر نازل در نقطۀ سكون افزايش خواهد يافت. تغيير سرعت جت نيز نشان داد كه تغيير 20 درصدي اين سرعت، اثر قابل توجهي بر ضرايب فشار و اصطكاك ندارد، ولي عدد ناسلت را افزايش مي‌دهد. در مدل‌سازي فرايند سوراخ‌كاري سطح استخوان، از خواص و ضرايب واقعي جنس استخوان ازجمله ضريب پوآسن و مدول يانگ استفاده ‌شد. مقايسۀ توزيع تنش ايجادشده در محل با دو معيار ترسكا و فون مايزز نشان مي‌دهد كه براساس پارامترهاي پيشنهادي، سوراخ‌كاري به‌طرز مطلوبي انجام مي‌پذيرد.

In this paper, the problem of perforation of the human cranial bone surface in the shape of a hemisphere using a water jet is numerically simulated in three dimensions. The simulation involves both the flow and heat transfer of the impinging water jet, and surface perforation process. The volume of fluid method was used to model the jet two-phase flow, and Johnson-Cook equation in finite element method was applied for perforating the bone surface. The obtained results show that the pressure and friction coefficients on the surface depend on the nozzle distance from the surface, and the pressure at the stagnation point increases as the nozzle distance decreases. Also, by increasing the nozzle distance, local Nusselt number along the hemisphere radius as well as maximum Nusselt decreases at the stagnation point. The effect of nozzle diameter on pressure and friction coefficients was also investigated and found that the pressure at stagnation point is increased by the nozzle diameter. The change in the jet velocity also showed that a 20% change in velocity has no significant effect on the pressure and friction coefficients, while increases the Nusselt number. In modeling the perforation process, actual properties and coefficients of bone material, such as Poisson's coefficient and Young's modulus were used. Comparison of on-site stress distribution based on Tresca and von Mises criteria showed that according to the proposed parameters, the perforation is performed properly.