切削仿真技术在生物医学领域的应用
2018年7月19日 18:49切削仿真技术源于金属切削领域，但实际上该技术不仅可以服务于切削加工领域，而且可以服务于汽车制造、农业开采以及油田钻井等行业，今天我们对切削仿真技术在生物医学领域的应用做一个简单的介绍，希望能对大家有所启示。
由于骨骼具有各向异性、准脆性和不均匀性的特点，所以它的切削加工过程是一个相对复杂的过程，同时这些特点会增加对切削力预测以及刀具优化的难度。随着金属切削技术的发展，相关专家使用解析或模拟方法对骨骼切削进行了探索，并且已经取得一定的成果。
以下是骨骼切削的解析模型。
图.1铣刀 （a）骨加工工具，（b）工具和切削力的示意图；（c）正交切削（d）斜切削
在脆性断裂、延性破坏的过程中，单一的数学模型很难全面的预测切削过程中的各物理量变化。同时，随着计算机技术的发展，人们开始采用计算仿真的方法来模拟骨骼切削过程。以下是用有限元分析软件得到的仿真模型。
图.3 骨骼钻削的热固耦合有限元模拟（a）网格划分（b）温度分布
虽然有限元分析在切削仿真中得到了广泛的应用，但是有限元分析模型经常会遇到单元过度变形和元件穿透等问题。一般而言“自适应网格划分”技术可以在一定程度上解决这些问题，但是这样会降低仿真效率，同时需要非常精细的网格才能产生理想的结果。因此，我们尝试了使用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟切削过程，这样既可以解决上述问题，又可以提高仿真效率。
图.4不同取向骨骼的裂纹扩展
图.5 基于SPH技术的骨骼切屑形态
二．软组织切削
软组织切削过程涉及三种力：切削力、摩擦力和组织变形的弹性力。在这里我们引入了针刺模型来进行软组织切削的分析，对于针刺模型而言，切削力是尤为重要的，因为它直接关系到组织损伤。
首先，我们采用解析的方法来研究切削力。
解析模型：
图.6元素切削刀具（ECT）及前角和倾斜角的定义
根据金属切削理论，切削力（沿进给方向）高度依赖于倾角α和斜角λ。因此，我们通过控制切削刀片的和这两个变量来测量切削力。最终结果显示，倾角α比斜角λ更具有减力效果。同时，在针刺模型中通过比较不同针尖刺入猪肝组织的切削力，可以进一步验证这一结论。
图.7(a)比力函数(b)单斜面针的刃口
仿真模型：
虽然解析模型可以快速计算，但它仅限于简单的刀具几何形状和均匀的被切削材料。有限元分析（FEA）作为分析通用的切削仿真模拟方法，在二维和三维切削仿真中已经得到了广泛的应用，同时也有学者开始采用FEA技术进行骨骼和软组织的切削模拟。
图.8显示拉伸内聚单元的仿真结果
图.9单斜面针的仿真结果
三、补充与总结：
（1）组织断裂是软组织切削的主要现象，同时一般采用断裂韧性（JIC）或临界能量释放率（GC）来预测由于裂纹扩展导致的组织分离状况。
（2）在骨骼切削有限元分析中，一般采用Johnson cook模型来描述材料在屈服点上的塑性去除特性，然而对于损伤准则而言，由于不同学者采用的标准不同，因此塑性和损伤准则的设置都会在一定程度上影响切削力和切屑的形成。
（3）为了简化模型，学者们一般都假定骨骼材料是各向同性的，特别是皮质骨，尽管各向同性的设置在简化模型、提高效率方面是有益的，但这也会产生与各向异性材料不同的结果。
本文参考文献：
Takabi, B. and B. L. Tai (2017). "A review of cutting mechanics and modeling techniques for biological materials." Med Eng Phys 45: 1-14.
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