复合材料股骨头假体三维有限元分析VIP免费

第16卷2001年第3期9月医用生物力学JOURNALOFMEDICAL131OMECHANICSVOl_16．No．3Sep．，2001复合材料股骨头假体三维有限元分析俞能宝董天华孙俊英(青岛海慈医院骨科266033苏州大学第一附属医院骨科215006)【摘要】目的：分析不同材料股骨头假体置换后的应力关系。方法应用三维有限元理论分析碳纤维聚砜(CR17／PSF)复台材料与钴铬钼(CoCrMo)台盎假体置换，在施加载荷，动静态下的应力分布结果：CR17／PSF组股骨受力达85％~98％，而CoCrMo只有5O％；在假体的表面受力前者只有1O％左右，后者则达50％，。结论低弹CRF／PSF复台材料假体能显著降低应力遮挡、应力集中，从而推断低弹材料具有高疲劳强度，能达到较好的力学相容性。关键词复台材料股骨头假体三维有限元全髋股骨头假体使用最广泛的材料大多数是金属合金，它们最大的缺陷是弹性模量太高，如不锈钢为210GPa；钛台金l10GPa，钴铬钼合金220GPa。而骨皮质与骨松质的弹性模量分别只有18GPa和2．0GPa。由于金属材料的模量是骨组织的十几倍甚至几十倍，它们的组合，因力学性能无法相容，显然不可能创造一个较好的，接近生理状态的力学环境，由此产生应力遮挡，进而引起骨吸收，骨萎缩，乃致假体松动等一系列并发症至今未从根本上得到解决。复合材料是各向异性材料，可以达到低弹高强，被预为最有前途的生物材料。人体髋关节及骨骼组织力学结构相当复杂，已不可能用解析方法来分析它的力学性能问题因此，我们采用三维等参有限元技术来分析此结构。材料与方法一、建立模型的依据A．国产仿AML型全髋股骨头假体的外表几何尺寸。B．人体湿股骨与假体材料力学性能如下表二、建立三维有限元模型将正常亚洲人股骨近端及仿AML型全髋股骨头假体几何形态的参数及股骨、复合材料及钴铬钼合金材料力学性能参数输入计算机采用SAP5程序，模型自由度2618，整个结构被划分为692个，三维单元，八节点等参元，328个板单元，336块单元模拟全髋全髋股骨头假体置换后力学模型。计算中，根据临床上应用生物学固定模式，模拟人体正常生理体进行置换，以便达到重建髋关节的最佳效果。随着弹性力学有限元方法在工程学计算中应用日益广泛，有限元分析就其几何形体来说越来越复杂。股骨上段的几何外形很不规则，形态各异。解决的办法是，首先建立医学图象信息的软件处理，如单元划分，边界提取，几何补插等处理在计算机图形的屏幕上真实地再现股骨假体维普资讯http://www.cqvip.com156医用生物力学第16卷结构，并且在此基础上构造三维有限元模型和网格的自动划分、自动地确定节点坐标，编排单元号码，单元节点组线，并形成数据文件和三维网格图形，从而完成了有限元分析前的处理过程。SAP5C软件由八个功能模块组成，通过对股骨假体的软件处理，建立起完整的三维有限元结构分析模型。并且可以采用交互方式调整网格疏密程度和网格形状，做到结构形状准确．单元划分方便．节点自动确定．提高模型质量。在输入模型的几何形态与各种材料力学参数及边界约束条件，计算中股骨远端的约束条件是一组边界元予刚性固定=计算载荷情况分为人体静止双足站立状态与步态单肢负重站立如图示．设人体体重(BYe'3为650N，则根据Rvdell对髋关节的受力分析，静止时髋关节力J=2．5BW，肌力M=1．97BW，根据人体在步态周期中髋关节力的测量得到髋关节力在足趾离地时为7BW．后跟着地时为4BW，而肌力分别为5．5BW和3．15BW。在两种不同情况下输人所加的载荷，通过节点位移，算出各部分应力应变分布规律。结果与分析静止步志两种不同状悉时的载荷方向一、静止状态假体柄上的应力分布静止状态作用于全髋股骨头假体载荷为人体体重的2．5BW。钴铬钼合金材料和碳纤维增强聚砜复合材料制成全髋股骨头假体上晟大的正应力，在股骨头假体柄的内侧为压应力，外侧为拉应力见表l。襄l股’|头恨悻置换前柄上的应力分布fitS)结果表明：最大的拉压应力发生柄的下1／3部和假体的柄颈结合处。此时钴铬钼合金股骨假体内外侧的拉压应力分别是92MPa与8OMPa，而碳纤维聚砜复合材料假体的内外侧最大是80MPa和62MPa,两者相差分别为13％和22．5％。在肩颈附近前者为3OMPa，28MPa；后者为25MPa,24MPa二、模拟全髋股骨头...