新设计的假体茎杆的静态、动态和疲劳性能的有限元分析外文翻译资料

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新设计的假体茎杆的静态、动态和疲劳性能的有限元分析

A.Zafer Senalp,Oguz Kayabasi,Hasan Kurtaran

盖布泽技术学院，设计与制造工程系，PK.141,41400 土耳其盖布泽科喀艾里

2005年9月20日收录，2006年1月14日接受申请

2006年7月19日网上有售

摘要

由于人们活动施加在植入体上的力会产生随着时间而变化的动力学应力，最终导致了植入体材料的疲劳失效。因此，确保髋关节假体的静态、动态和疲劳失效是十分重要的。有限元分析方法已经被应用于骨科生物力学领域中，是设计分析全关节替换术和其他骨科器械的的重要方法。在本研究中，我们模拟了髋关节假体4种不同弯曲率的茎部形状，应用商业有限元分析软件ANSYS对设计的茎部形状的静态、动态和疲劳性能进行分析。在人体载荷下进行静态分析，在行走载荷下进行动态分析，ProE用来建立茎部形状的CAD模型，茎部的疲劳性能通过ANSYS的软件平台进行预测。研究Ti-6Al-4V和钴-铬金属材料制成的茎部形状性能，并与Charnley研制的常用茎部形状进行比较。

关键词：股骨；植入物；茎干；疲劳；动态分析；有限元模型

Abstract

Forces applied to the implant due to human activity generate dynamic

stresses varying in time and resulting in the fatigue failure of implant material. Therefore, it is important to ensure the hip prostheses against static, dynamic and fatigue failure. Finite element method has been used in orthopedic biomechanics as an important tool in the design and analysis of total joint replacements and other orthopedic devices. In this study, four stem shapes of varying curvatures for hip prosthesis were modeled. Static, dynamic and fatigue behavior of these designed stem shapes were analyzed using commercial finite element analysis code ANSYS. Static analyses were conducted under body load. Dynamic analyses were performed under walking load. Pro/Engineer was used for CAD modeling of the stem shapes. Fatigue behavior of stem shapes was predicted using ANSYS Workbench software. Performance of the stem shapes was investigated for Ti-6Al-4V and cobalt-chromium metal materials and compared with that of a commonly used stem shape developed by Charnley.

Keywords: Femur; Implant; Stem; Fatigue; Dynamic analysis; Finite element method

1、概要

全关节置换技术已经成功应用于患有关节疾病的病人^[1-4]。由于人们活动施加在假体上的力会形成随时间变化的动力学应力，并导致植入体材料的力学的疲劳失效。因此确保关节假体抗疲劳失效是很重要的。关节假体的疲劳失效案列在过去的二十多年里有了显著的降低^[5,6]。然而,每个新设计的植入体都必须要确保抗疲劳失效。骨水泥全髋关节置换技术的效果和长期存在的成功之处与假体和骨头的连接有关。水泥-金属界面的损坏，茎-水泥界面的分离和水泥的断裂都可能是植入体最初松动的开始^[7]。根据骨水泥全髋关节置换技术中茎干损伤累积破坏情况，特别是界面的脱落和水泥疲劳失效现在都可能会造成植入体的长期松动^[8]。如果设计的茎部形状导致在假体的固定区域产生高应力，那么很大可能性使假体在短期内发生断裂或在长期使用过程中发生疲劳失效。人们为了评估假体在身体静载荷环境下的应力和疲劳性能进行了很多研究。

在本文中，为了模拟植入体的疲劳失效，应用了与骨水泥破坏算法有关的有限元模型^[9,10]。在很多之前的工作中^[9,11-15],关于髋关节置换技术中股骨柄和股骨之间的力学相互作用已经进行了三维分析。标准的股骨几何结构被用来制作皮质骨和松质骨的有限元网格。类似的，在另一项研究中，最先建立了关于髋关节植入体疲劳性能分析的三维有限元模型。侧板概念被用来解释骨水泥和皮质骨3D结构的完整性，并以膜应力的形式恢复骨水泥环向应力。这个通过对几何参数适当的计算得以实现。两种不同的破坏原则：线性和非线性被提出，可产生两种不同的破坏评估算法评估疲劳寿命。在相同作者的另一项研究中，产生的运算法则被用来实施在有限元软件ABAQUS中^[17]。

在本次研究中，进行了四种不同几何尺寸植入体的疲劳性能分析，分析股骨三维模型。建立骨水泥和种植体。根据股骨几何结构设计植入体和骨水泥，利用这些几何模型建立有限元模型，应用ANSYS有限元软件平台进行分析，每个几何结构类型分别测试两种不同的材料性能。为了确定植入体的行为，我们进行了行走载荷实验，在分析时，骨水泥采用粘弹性材料的模型，在分析的最后，确定了最适合植入体抵抗疲劳负荷的几何形状和材料会被决定出来。

2．CAD和有限元模型

2.1 CAD模型

骨柄形状对植入体的性能有着重要的影响。有着光滑表面的骨柄形状通常会降低应力集中和延长假体的疲劳寿命。具有尖利或不光滑表面的骨柄形状在界面处可以提供给良好的粘接能力，并防止在界面处可能发生的滑动。应力集中水平和疲劳失效的倾向取决于骨柄形状的锐利度。在本研究中，我们设计了四种有着不同的表面弯曲率骨柄形状，为了达到良好的界面结合能力和较高的假体疲劳寿命。在本研究分析的骨柄形状如图1所示。

图1 骨柄形状（受限型、直型、凹型、弯型）

股骨几何结构采用Viceconti等人的标准模型^[18]，股骨IGES数据被输入到Proe中，在截断模型后建立固体股骨模型，完整股骨的CAD模型被输入到ANSYS 8.0环境中，创建分析时需要的有限元模型。骨柄形状的大、小截面直径分别为15mm和10mm。骨柄长度为85mm，骨水泥覆盖层厚度大约是4mm，弯曲的骨柄半径为50mm，有凹口的骨柄倒角半径为3mm。

2.2有限元模型

有限元分析中需要的有限元模型是通过将图1中的几何模型离散化成更小更简单的单元来建立的。在ANSYS环境下进行离散化，股骨、骨水泥和植入体装配成三维固体模型通过直接接口转移到ANSYS Workbench中。ANSYS Workbench自动识别各部分之间存在的接触，并建立相应接触面的接触条件。

为了建立有限元模型，采用高阶三维实体单元股骨，骨水泥和植入体进行网格划分；SOLID187具有二次位移行为，很适合建模不规则的网格（例如由CAD/CAM系统生成的网格）。元素由10个节点定义，每个节点有三个自由度：x、y、z方向的平动^[19]。

为了模拟股骨-骨水泥界面与骨水泥-植入体界面之间的接触和滑动，应用了CONTA174和TARGE170单元。CONTA174单元分布在3维SOLID187实体模型的表面，TARGE170被用来表示有关CONTA174接触的各种的3D“目标”表面。接触元素本身覆盖了描述可变形物体边界的实体元素，并且可能与目标表面接触，这是由TARGE170定义的。CONTA174具有与实体模型单元面相同的几何特性。接触发生时单元表面穿透目标表面上的目标段元素（TARGE170）之一。库伦和剪应力摩擦是允许的。

选择完全结合的接触方式作为接触表面的接触条件，根据Nuno和Avanzoli的研究^[20]，抛光或者缎面光面和骨水泥材料PMMA的摩擦系数在实验中测得在0.17和0.32之间，本研究才用的摩擦系数是0.2。

准备了三种不同的有限元模型，每一种都包含了不同的植入体类型。每一个完整的模型包含大约72458个单元和88000个节点。股骨模型包含7800个单元，骨水泥包含8700个单元，植入体包含40000个节点。剩下的16000个单元被用与接触和目标单元。网格划分成功应用于植入体模型，股骨、骨水泥和植入体的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

（a）受限型骨柄形状（b）骨柄1（c）骨柄2（d）骨柄3（e）骨柄4（f）骨水泥（g）股骨

2.3材料模型

采用两种不同的植入体材料被进行有限元仿真。他们材料分别是Ti-6Al-4V和钴-铬合金。这些材料的行为可以用线性各向同性材料模型表示。Ti-6Al-4V和钴-铬合金的力学性能如表1所示。用于疲劳计算的种植体材料的交变应力和循环数(S-N曲线)曲线在图3中以对数刻度形式中给出。

表1 骨柄材料力学性能

为了精确计算假体中骨头行为的影响，骨头的内部和外部（松质骨和皮质骨）用不同属性的材料来建模。骨头的内部（松质骨）用横向各向同性材料模型来表示（E_x=E_y=11.5GPa,E_z=17GPa,G_xy=3.6GPa,G_xz=G_yz=3.3GPa;v_xy=0.51,v_xz=v_yz=0.31）^[21]。骨头的外部（皮质骨）采用E=2.7GPa和v=0.3的线性各向同性材料模型建模。骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯）采用E=2.7GPa和v=0.35的线性各向同性材料模型建模^[20]。[21,22],是蠕变应变率，是对应的米塞思应力（MPa），t是分步的最终时间（h）。

图3 种植体材料S-N曲线；Ti-6Al-4V和钴-铬合金

2.4 负载条件

在静载学分析中，如图3所示20°方向角的3KN静力负载作用在植入体承载表面，在较大的转子近端区域施加20°的方向角的展肌1.25kN载荷。沿股骨纵向方向在股骨的底部施加骼胫骨250N的负载。股骨末梢在水平方向的移动被限制。

在动载分析中应用时变行走载荷，如图4所示。动载分量5s内的时间历程如图5所示。

图4 施加在骨水泥假体的力的集合

图5 作用于假体的动载分量时间历程

3.有限元分析和结果

作用在假体上的静载和动载在建立时需要确保设计的安全性。在文献中，经常根据静载仿真分析结果进行假体设计。静载有限元分析经常基于股骨承受身体重量的载荷。然而，动载的影响可能会增加10-20%甚至更多的载荷给假体，必须将他考虑到会造成假体的断裂和疲劳失效的因素中去。为了研究静载和动载分析结果有什么不同，对假体进行了承受身体重量的静载和步态动载的分析。

使用ANSYS的P4 2.0 GHz因特尔处理器PC对假体进行有限元分析，CPU分析时间大概要花费20小时。如图6-9所示为经过静载和动载有限元分析后的骨柄形状Von Mises应力。

图6 Ti-6Al-4V材料的骨柄静载应力分布 图7 钴-铬合金材料的骨柄静载应力分布

图8 Ti-6Al-4V材料的骨柄形状动载最大应力 图9 T

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