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人工髖關(guān)節(jié)三維外形優(yōu)化設(shè)計的動靜態(tài)疲勞特性有限元分析
Oguz Kayabasi 1, Bulent Ekici 2
（1.Gebze理工學(xué)院設(shè)計與制造工程系，41400，Gebze，土耳其；
2.馬爾馬拉大學(xué)機(jī)械工程系，81040，伊斯坦布爾，土耳其）


摘要：有限元法是固體力學(xué)中最先進(jìn)的仿真技術(shù)之一，可以用來分析假體的生物力學(xué)特性，作為一種工具來設(shè)計和分析全關(guān)節(jié)置換或者其他的假體。人工髖關(guān)節(jié)的設(shè)計是一個非常復(fù)雜的過程，需要工程師和外科醫(yī)生的密切合作。為了設(shè)計出持久耐用的假體，需要考慮骨骼的自然生長過程。在假體設(shè)計中一個重要因素是要減小股骨和骨水泥的應(yīng)力。本研究的目的是調(diào)查不同模型參數(shù)的假體在自重負(fù)載作用下的各方面特性。通過對兩種不同材料的假體研究來發(fā)現(xiàn)合適的材料和較強(qiáng)的抗疲勞能力。在參數(shù)化設(shè)計中，必須要保證在病人的生命周期內(nèi)骨干與股骨頭通過骨水泥可靠連接在一起，同時也要防止假體滑入骨水泥中。
　　　在有限元分析中，關(guān)節(jié)間的相互物理作用通過接觸算法來模擬，ANSYS的面面接觸算法可以用來分析股骨—骨水泥界面和骨水泥—假體界面的靜力。
　　　骨干與骨水泥間考慮三種接觸情況：完全粘結(jié)，摩擦系數(shù)為零的不粘結(jié)，摩擦系數(shù)為0.2的不粘接。在分析中，骨水泥采用粘彈性材料模型，假體的外形采用數(shù)字優(yōu)化。
　　　將有限元仿真結(jié)果和Charnley的假體進(jìn)行比較，找出合適的假體材料，選出滿足功能的最合適假體外形。這些發(fā)現(xiàn)可以為進(jìn)一步人工髖關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計研究提供基礎(chǔ)。
　　　
關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計；疲勞；有限元法；人工髖關(guān)節(jié)