人工关节是一种植入人体代替人骨使关节保持原有功能的人造器官,常用的材料为钛合金。为了克服钛合金表面难以抛光这一问题,本文采用软性磨粒流加工方法对其进行加工,具体研究内容如下:(1)在对磨粒流加工流场进行数值模拟时,结合水平集方法、雷诺时均方程、标准k-ε补充方程共同构建流场数学模型,然后利用Hamilton-Jacobi ENO格式与Runge-Kutta格式对水平集方程进行离散求解。构建单颗粒运动方程,运用欧拉-拉格朗日法对固-液两相进行耦合,提出一种湍流分散模型模拟磨粒流中磨粒的运动轨迹。(2)根据所建立的数学模型,借助COMSOL软件对磨粒流加工过程进行数值模拟,对磨粒流加工流场的速度分布与压力分布进行分析,构建无量纲相对除去率模型,模拟人工膝关节表面的材料去除效果。从颗粒运动的角度验证了湍流分散方法的有效性,结合湍动能分布分析颗粒运动轨迹。仿真结果证实了实验加工的可行性。(3)搭建实验平台进行加工实验,从微观角度分析磨粒流加工效果,发现加工后人工膝关节表面粗糙度Ra从394nm降低到了171nm。研究结果表明:水平集方法、湍流分散方法、雷诺时均方程、标准k-ε方程共同构建流场数学模型是可行的,据此得出的流场仿真结果证实了实验加工的可行性,实验得出软性磨粒流对人工膝关节表面具有良好的加工效果。