رفتار استاتیک، پویا و خستگی اشکال ساقه به تازگی طراحی شده برای پروتز مفصل ران
چکیده
نیروهای اعمال شده برای ایمپلنت ناشی از فعالیت انسانی، تنش های پویای مختلف را در زمان تولید می کند و به خستگی مواد ایمپلنت منجر می شود. بنابراین، اطمینان حاصل نمودن از پروتزهای مفصل ران در برابر خرابی استاتیک، پویا و خستگی مهم است. روش المان محدود در بیومکانیک ارتوپدی به عنوان یک ابزار مهم در طراحی و تجزیه و تحلیل تعویض های کلی مفصل و سایر دستگاه های ارتوپدی استفاده می شود. در این مطالعه، چهار شکل ساقه با انحناهای مختلف برای پروتز مفصل ران مدلسازی شده اند. رفتار استاتیک، پویا و خستگی از این اشکال ساقه طراحی شده با استفاده از برنامه تجزیه و تحلیل تجاری المان محدود ANSYS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. تجزیه و تحلیل استاتیک تحت بار بدن انجام شد. تجزیه و تحلیل های دینامیکی تحت بار رونده انجام شد. Pro/Engineer برای مدل سازی CAD اشکال ساقه مورد استفاده قرار گرفت. رفتار خستگی از اشکال ساقه با استفاده از نرم افزار ANSYS WORKBENCH پیش بینی شده بود. عملکرد اشکال ساقه برای Ti–6Al–4V و مواد فلزی کبالت-کروم بررسی شده است و با شکل ساقه معمولاً استفاده شده توسعه یافته توسط Charnley مقایسه شده است.
1. مقدمه
تعویض مفصل ران با موفقیت برای بیماران مبتلا به بیماری های مفصل ران [1-4] استفاده می شود. نیروهای اعمال شده برای پروتز ناشی از فعالیت انسانی، تنش های پویای متغیر را در زمان تولید می کند و به خرابی خستگی مکانیکی مواد ایمپلنت منجر می شود. بنابراین اطمینان حاصل نمودن از پروتزهای مفصل ران در برابر خرابی خستگی مهم است. خرابی خستگی پروتزهای مفصل ران در دو دهه گذشته [5،6] به طور قابل توجهی کاهش یافته بود. با این حال، هر طراحی ایمپلنت جدید باید نسبت به خرابی خستگی تضمین شود. عملکرد و موفقیت بقای طولانی مدت تعویض کامل مفصل ران سیمانکاری شده (THA) به اتصال پروتز به استخوان مرتبط می شود. خرابی رابط سیمان-فلز، جداسازی رابط ساقه-سیمان و شکستگی ها در سیمان ممکن است افت اولیه تثبیت ایمپلنت [7] را آغاز نماید. به خصوص، جدا شدن رابط و خرابی خستگی سیمان در حال حاضر با توجه به آسیب تجمع حالت خرابی برای ساقه های THA سیمانکاری شده، به احتمال زیاد موجب شل شدن علت طولانی مدت ایمپلنت می شود [8]. اگر طراحی شکل ساقه منجر به تنش های بالایی در مناطق ثابت پروتز شود، شکستگی پروتز در کوتاه مدت یا خرابی خستگی آن در دراز مدت کاملاً به احتمال زیاد رخ می دهد. تاکنون تحقیقات متعددی برای بررسی رفتار استرس و خستگی پروتز تحت شرایط بار استاتیک بدن انجام شده اند.
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.
1. Introduction
Total hip replacement is successfully applied to the patients affected by hip diseases [1–4]. Forces applied to the prosthesis due to human activity generate dynamic stresses varying in time and resulting in the mechanical fatigue failure of implant material. Therefore it is important to ensure the hip prostheses against fatigue failure. The fatigue failure of hip prostheses was reduced significantly in the past two decades [5,6]. However, every new implant design has to be ensured against the fatigue failure. Performance and success of long-term survival of cemented total hip arthroplasty (THA) is related to the attachment of the prosthesis to the bone. Cement–metal interface failures, separation of the stem-cement interface and fractures in the cement may initiate the initial loss of the fixation of the implant [7]. Particularly, interface debonding and cement fatigue failure are now likely to cause long-term loosing of the implant, according to damage accumulation failure scenario for cemented THA stems [8]. If the stem shape design leads to high stresses in fixation areas of the prosthesis, fracture in short term or fatigue failure in long term of the prosthesis is quite likely to occur. Several researches have been conducted to investigate the stress and fatigue behavior of prostheses under static body load conditions.
چکیده
1. مقدمه
2. CAD و مدل المان محدود
2.1. مدل CAD
2.2. مدل المان محدود
2.3. مدل های ماده
2.4. شرایط بارگذاری
3. تجزیه و تحلیل المان محدود و نتایج
4. تجزیه و تحلیل خستگی
5. نتایج تجزیه و تحلیل خستگی
6. نتیجه گیری
Abstract
1. Introduction
2. CAD and finite element model
2.1. CAD model
2.2. Finite element model
2.3. Material models
2.4. Loading conditions
3. Finite element analysis and results
4. Fatigue analysis
5. Fatigue analysis results
6. Conclusion
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه