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CC复合材料人工股骨的应力分析

时间:2017-11-16 13:44:10   来源:本网   添加人:admin

  由于生物医学工程的发展,将导致人类医疗技术的革命。有科学家预计,“在未来的三十年,医学将走出器官移植的范畴,进入制造器官的时代,。

  据统计,人体骨骼发生骨折后愈合的平均时间不同,股骨约为十周,股骨头约为十二周,所需时间最长。

  随着年龄的增长,人体骨骼的再生和愈合愈发困难。因此医学界十分重视人工股骨(特别是髋关节)的研究,如果一旦成功,对科学和生物医学工程都具有重要的意义。)有许多独到的性能优势,包括良好的生物相容性、稳定的物理和化学性能、可机械加工性、不释放可溶化合物和具有高静态和疲劳强度,是一种具有良好应用前景的关节置换用材料所示,根据骨密质的弹性模量数据得出三种工况下的冯氏应力为:工况1:1.54.4E+7Pa;工况2:1.2E+72.2E+8Pa;工况3:5.7E+71.7E+8Pa.应力最大值基本分布在股骨颈、转子窝、转子间脊部位,同时小转子附近也存在一个应力较大值,骨干部位应力分布均匀并且数值较小,股骨下端的膨大约束处有相比骨干稍大的应力值。除应力集中区外,其它部位的应力值基本上与骨所承受的应力值相近,工况1在2.股骨颈是股骨头与骨干的交界部分。它比周围其它的部分要细,而且股骨头与骨干轴存在一定角度,故存在应力最大值;转子窝为沟槽状结构,转子间脊为岭脊状结构,建立模型时在此处单元方向变化剧烈,存在应力集中,因此出现最大值;小转子下部出现较大值是因为存在应力集中,同时在取点方面也存在问题。而股骨下端膨大约束处出现较大的值是约束处较接而出现的应力集中,可以忽略不计。

  总而言之,状态图上应力最大值出现在股骨颈及其以下部位是与实际情况相符合的。

  将其与成年人新鲜的股骨(骨密质)的数据(表1)相比较:可以发现所建立的股骨模型基本正确地描述了股骨的应力状态,同时说明股骨的结构是经过优化的,在股骨上端由骨松质组成的实心结构,并且弹性模量比较小,使最大值减少并将应力向骨干部分转移。当施加平行于股骨方向的载荷(200N)时,最大应力值与极限数值相比要小的多,但当平行于Y轴施加600N的载荷时应力值已接近屈服强度,与Z轴呈30°施加力(200N)时,最大值分布在屈服强度左右。

  表1新鲜股骨(骨密质)的力学性能取样方向弹性模量MPa屈服强度MPa极限强度M屈服应变纵向士横向士同时,由动态的初步计算说明股骨承受纵向载荷的能力远大于横向,在承受较大的冲击时,冲击力转变为与股骨呈一定角度时股骨颈附近就会超过极限强度而发生断裂。事实上,即使人体股骨进行了结构优化,并同时存在肌肉、肌腱等组织的保护,但当受到较大的冲击时,Y方向的力较大,也会发生骨破损,股骨大多数意外损坏都发生在股骨颈附近,这也说明了股骨颈处出现最大值是符合逻辑的。

  4结论与建议采用计算机模拟有限元素对人体股骨进行应力分析,较准确地绘出了第四强度理论条件下有限元计算结果的应力状态图。由应力状态图的冯氏应力分布,可以确定人工骨的基本结构与性能要求。本文对C/C人工股骨的三维编织工艺初步方案提出以下建议:人工股骨骨干部分可以米用较为稀疏的编织工艺;(2)C/C复合材料的编织角度应保证人工骨的整体弹性模量和与实际股骨相当,以充分显示C/C复合材料的性能优势,减少甚至去除应力遮掩现象。

  初步估算适宜的角度为45°在人工骨上端应力集中区要求材料编织细密,强度明显提高。考虑到这些区域存在与C/C相近的强度值,应该在应力集中区使用小束高强度碳纤维进行三维编织,形成整体网络结构,从而具有更好的抗冲击性能。