行走负荷下半髋关节假体的数值分析

朱水文

摘 要：本文在ANSYS Workbench軟件里进行股骨及髋关节假体的疲劳分析。结果表明随着柄的颈部半径的增加，植入物的疲劳寿命也随之增加;股骨柄的颈部半径对植入物强度和抗疲劳性产生正向的影响。

关键词：行走负荷;半髋关节;假体;有限元

据报道，每年在全世界范围内大约进行60万髋关节置换手术[1]。用有限元分析方法来模拟在静态体重和动态行走负荷下的植入物的疲劳损伤[2]，已被用于材料疲劳强度的对比[3，4]。有学者进行在髋关节置换后的股骨柄和股骨之间的机械相互作用的三维分析[4]。髋关节的股骨柄的性能取决于许多参数，包括材料类型，柄长，横截面形状，颈部半径，颈部角度，球径和骨水泥的使用[5]。为了确保股骨柄植入物的设计成功，增加安全系数的最好的控制参数之一是股骨柄颈部的半径[6]

本文把股骨颈半径作为是股骨柄的设计参数之一，对五个不同颈半径设计的髋关节假体进行了动态和疲劳分析，研究的结果可用于髋关节假体的设计参考。

1 计算模型

本文CAD模型包含两部分：股骨和植入物，后生成三维有限元模型。模型中股骨和假体界面之间的接触和滑动，默认使用的是CONTA174和TARGE170接触单元。本研究中使用的植入物的材料钛合金（Ti6Al4V合金）考虑为线性各向同性的，为了简化计算，本研究中的股骨的材料特性被假定为线弹性。在动态分析中，随时间变化加载的行走负荷以集中荷载的形式施加于植入体顶端，加载时长为5秒。此外，髋关节假体的根部外表面的所有节点进行了全约束，以避免计算中出现刚体运动。

2 结果和讨论

在本论文中，分别对五种不同颈半径的髋关节假体进行了动态分析，而颈半径则是进行股骨柄假体设计的参数之一。分析结果中的植入体上Von mises应力分布云图显示它的值随股骨柄设计参数（颈半径）改变而改变。为确保安全性，必须的满足计算出来的假体上的最大等效应力（Von mises应力）比假体材料本身的屈服极限小，这样才符合设计要求。

如图1所示，计算出的最大Von mises应力比植入材料Ti6Al4V的屈服应力小很多，这表明设计的所有尺寸的颈半径的假体在强度要求条件下都是安全的。此外，我们发现，颈半径与Von mises应力具有一定的关系，随着颈半径的增加，植入体上最大von Mises应力反而减小。

所有的髋关节假体的疲劳寿命都是基于应力-寿命曲线（S/N曲线）的方式来计算。疲劳分析是基于不低于109个循环周期的无限寿命准则进行的。因此，应力幅值要确保比材料的S-N曲线上的最小应力值低。从图2的疲劳寿命分布云图，可以看到最小生命周期出现在杆的颈部。而最小的生命周期相当于人们每天走8000步（周期），使用16.9年。这意味着所有的不同颈半径的杆的设计都满足疲劳设计要求，随着颈部半径的增加，植入物的疲劳寿命也增大。从力学的观点来说，要得到较长的疲劳寿命周期，应选择较大半径的杆。

3 结论

在本文中，以五个不同颈半径的髋关节股骨柄假体作为对比。使用有限元软件ANSYS Workbench进行强度分析并计算出疲劳寿命及安全系数。结果表明所有的不同颈部半径的杆均足够安全，随着颈半径的减小，植入物的最大Von Mises应力呈增加趋势。疲劳分析表明要得到较长的疲劳寿命周期，较大半径的杆是一个更好的选择。

参考文献

[1]Brown AS. Hip new world. Mech Eng 2006;128：28-32.

[2]Li X， Liao Q， Guo H， Jin Z. The effect of stem structure on stress distribution of a custom-made hip prosthesis. Proc Inst Mech Eng Part H J Eng Mech 2010;224：1275–84.

[3]Verdonschot N， Huiskes R. The effects of cement–stem debonding in THA on the long-term failure probability of cement. J Biomech 1997;30：795–802.

[4]Amir Sternheim， Michael Drexler， Paul R. Kuzyk， et al. Treatment of Failed Allograft Prosthesis Composites Used for Hip Arthroplasty in the Setting of Severe Proximal Femoral Bone， The Journal of Arthroplasty， 2014，29（5）：1058-1062.

[5]Lennon AB， McCormack BA， et al. The relationship between cement fatigue damage and implant surface finish in proximal femoral prostheses. Med Eng Phys 2003;25（10）：833–41.

[6]A. Fiorentino， G. Zarattini， U. Pazzaglia， et al. Hip Prosthesis Design. Market Analysis， New Perspectives and an Innovative Solution， Procedia CIRP， 2013，5：310-314.