微细水射流(医用水刀)技术可以作为一种手术分离器械用于对人体组织进行切割、分离等,它具有高度灵活性、切除组织选择性和保护性,无热损伤,术中出血量少,手术时间短等优点。因此,该技术被广泛应用于骨科、眼科、创伤外科等外科手术中。目前,微细水射流技术仍存在一些难题,例如射流集束性较差,压力不稳定等;另外,微细水射流对加工具有较高的韧性和弹体的人体组织材料去除方面还没有相对成熟的理论体系,并缺乏相应的实验研究。为此,本文以与人体肝脏组织最为接近的猪肝脏为研究对象,优化设计微细水射流喷嘴结构尺寸,建立猪肝脏应力-应变本构模型;并用于微细水射流冲击猪肝脏材料过程中,获得猪肝脏组织材料破坏阈值;实验验证射流参数对猪肝脏组织及血管破坏情况。本文主要研究工作如下:一、微细水射流喷嘴内外流场数值模拟及其内部结构尺寸优化设计。理论分析微细水射流流体流动状态,确定流体性质,得出流体流动控制方程;利用计算流体动力学软件Fluent对微细水射流在喷嘴内外流场分布进行数值模拟,获得了喷嘴内外射流压力场、速度场等的分布规律,并分析锥直型喷嘴内部结构如收缩角、直线段长度和喷嘴长度对射流速度的影响规律,获得喷嘴内部结构尺寸参数的最佳组合为:收缩角α=13°,直线段长度I=0.2 mm,喷嘴长度L=2.0 mm;通过引入过渡圆角来提高射流束的集束性,增强射流稳定性,研究表明:过渡圆角的最佳的过渡比为0.3。二、建立猪肝脏应力-应变本构模型。通过对猪肝实质的准静态单轴拉伸实验,开展猪肝脏组织在准静态力作用下力学和动态响应性能研究获得应变率和加载方向对猪肝脏组织力学性能的影响规律,获得猪肝脏组织的弹性模量均值为0.27 MPa,破坏应变发生在55-65%;利用改进的SHPB装置测量猪肝脏组织的动态压缩力学响应,建立基于指数和三阶Yeoh的高应变率作用下的不可压缩黏超弹性本构方程。三、数值模拟微细水射流冲蚀猪肝脏组织过程。利用Ansys/Ls-Dyna软件通过将不可压缩黏超弹性本构模型引入猪肝脏组织切割过程数值模拟,分析猪肝脏组织材料在水射流加工时的变形与损伤过程,并获得材料分离破坏的破坏临界射流压力值。四、实验研究微细水射流加工猪肝脏组织材料去除机理。将前述优化设计的喷嘴安装在自制的微细水射流加工设备上,开展微细水射流加工猪肝脏实验以验证数值模拟结果。实验结果表明:模拟结果与实验结果变化趋势相同,数值接近,因此所建立本构模型和模拟方法合理、可行。通过分析射流压力对猪肝脏组织材料去除机理的影响规律,发现猪肝脏表面在微细水射流冲击下存在应变值较大的的区域,冲击压力越高,冲击区域材料隆起量也越大;当冲击压力达到3.39 MPa时,冲击区域最高应力超过屈服极限,猪肝脏材料发生破坏。实验研究微细水射流切割猪肝脏时组织内部血管的损伤情况,结果表明:当射流压力超过5 MPa时能够保留直径0.8 mm血管;当射流压力超过6 MPa时能够保留直径1.0 mm血管;当射流压力超过7 MPa时对直径1.2 mm的血管具有一定的损伤。上述研究结果为微细水射流技术在医学中的技术推广提供了理论参考和数据支持。