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CC復合材料人工股骨的應力分析

技術應用 | 來源:本網 | 發布日期:2017-11-16 查看次數:860

核心提示:  由于生物醫學工程的發展,將導致人類醫療技術的革命。有科學家預計,“在未來的三十年,醫學將走出器官移植的范疇,進入制造器官的時代,。  據統計,人體骨骼發生骨折后愈合的平均時間不同,股骨約為十周,股

  由于生物醫學工程的發展,將導致人類醫療技術的革命。有科學家預計,“在未來的三十年,醫學將走出器官移植的范疇,進入制造器官的時代,。

  據統計,人體骨骼發生骨折后愈合的平均時間不同,股骨約為十周,股骨頭約為十二周,所需時間最長。

  隨著年齡的增長,人體骨骼的再生和愈合愈發困難。因此醫學界十分重視人工股骨(特別是髖關節)的研究,如果一旦成功,對科學和生物醫學工程都具有重要的意義。)有許多獨到的性能優勢,包括良好的生物相容性、穩定的物理和化學性能、可機械加工性、不釋放可溶化合物和具有高靜態和疲勞強度,是一種具有良好應用前景的關節置換用材料所示,根據骨密質的彈性模量數據得出三種工況下的馮氏應力為:工況1:1.54.4E+7Pa;工況2:1.2E+72.2E+8Pa;工況3:5.7E+71.7E+8Pa.應力最大值基本分布在股骨頸、轉子窩、轉子間脊部位,同時小轉子附近也存在一個應力較大值,骨干部位應力分布均勻并且數值較小,股骨下端的膨大約束處有相比骨干稍大的應力值。除應力集中區外,其它部位的應力值基本上與骨所承受的應力值相近,工況1在2.股骨頸是股骨頭與骨干的交界部分。它比周圍其它的部分要細,而且股骨頭與骨干軸存在一定角度,故存在應力最大值;轉子窩為溝槽狀結構,轉子間脊為嶺脊狀結構,建立模型時在此處單元方向變化劇烈,存在應力集中,因此出現最大值;小轉子下部出現較大值是因為存在應力集中,同時在取點方面也存在問題。而股骨下端膨大約束處出現較大的值是約束處較接而出現的應力集中,可以忽略不計。

  總而言之,狀態圖上應力最大值出現在股骨頸及其以下部位是與實際情況相符合的。

  將其與成年人新鮮的股骨(骨密質)的數據(表1)相比較:可以發現所建立的股骨模型基本正確地描述了股骨的應力狀態,同時說明股骨的結構是經過優化的,在股骨上端由骨松質組成的實心結構,并且彈性模量比較小,使最大值減少并將應力向骨干部分轉移。當施加平行于股骨方向的載荷(200N)時,最大應力值與極限數值相比要小的多,但當平行于Y軸施加600N的載荷時應力值已接近屈服強度,與Z軸呈30°施加力(200N)時,最大值分布在屈服強度左右。

  表1新鮮股骨(骨密質)的力學性能取樣方向彈性模量MPa屈服強度MPa極限強度M屈服應變縱向士橫向士同時,由動態的初步計算說明股骨承受縱向載荷的能力遠大于橫向,在承受較大的沖擊時,沖擊力轉變為與股骨呈一定角度時股骨頸附近就會超過極限強度而發生斷裂。事實上,即使人體股骨進行了結構優化,并同時存在肌肉、肌腱等組織的保護,但當受到較大的沖擊時,Y方向的力較大,也會發生骨破損,股骨大多數意外損壞都發生在股骨頸附近,這也說明了股骨頸處出現最大值是符合邏輯的。

  4結論與建議采用計算機模擬有限元素對人體股骨進行應力分析,較準確地繪出了第四強度理論條件下有限元計算結果的應力狀態圖。由應力狀態圖的馮氏應力分布,可以確定人工骨的基本結構與性能要求。本文對C/C人工股骨的三維編織工藝初步方案提出以下建議:人工股骨骨干部分可以米用較為稀疏的編織工藝;(2)C/C復合材料的編織角度應保證人工骨的整體彈性模量和與實際股骨相當,以充分顯示C/C復合材料的性能優勢,減少甚至去除應力遮掩現象。

  初步估算適宜的角度為45°在人工骨上端應力集中區要求材料編織細密,強度明顯提高。考慮到這些區域存在與C/C相近的強度值,應該在應力集中區使用小束高強度碳纖維進行三維編織,形成整體網絡結構,從而具有更好的抗沖擊性能。


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