人工髋关节结合面处的润滑、磨损及接触应力分析

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随着人们经济水平的提高,对于许许多多的患有髋关节疾病的患者,人工髋关节置换手术获得了越来越多地采用。手术后可以恢复病人行走功能,而人工髋关节的使用寿命却成为了人们特别关心的问题。本论文的研究基于活体外的研究条件,即根据国际标准ISO14242-1全髋关节磨损试验第1部分对人工髋关节假体的加载条件和假体的运动情况。本文从影响人工髋关节使用寿命的三个方面:润滑、磨损、髋臼内衬的接触应力分析来研究人工髋关节。  (一)在润滑的研究方面,文中建立了五种不同材料匹配的人工髋关节:金属—超高分子量聚乙烯(MOP)、陶瓷—超高分子量聚乙烯(COP)、金属—金属(MOM)、金属—陶瓷(MOC)和陶瓷—陶瓷(COC)。利用Hamrock和Dowson的最小油膜厚度计算公式,对五种人工髋关节模型的进行了计算与比较,继而引入λ比值,对相关模型进行了润滑分析;选取陶瓷—陶瓷类的人工髋关节,分析了其股骨头半径大小和半径间隙大小对润滑的影响。  (二)文章中以人工髋关节结合面处的黏着磨损为主,利用Archard磨损模型对金属一超高分子量聚乙烯(MOP)的人工髋关节进行了磨损分析和评估。得到人工髋关节在分别做单轴运动和双轴运动的条件下,接触点处在一个完整步态周期内的任意时刻的线性磨损率,并计算出接触点处的年磨损率。同时还分析比较了不同股骨头半径大小对磨损率的影响。  (三)根据人体正常行走步态情况,将一个完整步态周期分为12个步态载荷,利用有限元分析软件Ansys Workbench对五种材料匹配下的人工髋关节髋臼内衬处进行了接触应力分析,并根据人工髓关节接触界面上接触应力的变化绘制最大接触应力变化的曲线,对五种不同人工髋关节的最大接触应力进行了分析与比较。同时,还分析了不同尺寸设计下和不同髋关节结构下对髋臼内衬处接触应力的影响。
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