Дизайн и АКЭ анализ имплантов бедра с функциями снятия стресса для улучшения биомеханических показателей
Р.Паванкумар
, Г.Маллеш
Резюме: Хирургическая замена тазобедренного сустава – распространенный метод лечения пациентов с тяжелыми повреждениями тазобедренного сустава, и дизайн бедренного импланта критически влияет на его биомеханические характеристики. В данном исследовании проводится оценка того, как функции снятия стресса (ФСС) влияют на биомеханические характеристики имплантата бедра при различных движениях человека. Цель: В данном исследовании рассматриваются биомеханические характеристики имплантатов бедра при различных движениях человека и предлагаются конструктивные особенности для снижения концентрации стресса, повышения надежности и уменьшения объема имплантата. Методология: Три геометрических варианта моделируются с базовой моделью без ФСС, в то время как модели I, II и III имели круговой, ромбовидный и ромбовидный допуск ФСС. Статический анализ конечных элементов (АКЭ) моделируется с использованием ANSYS 19.2 для ходьбы, бега трусцой, прыжков и спуска по лестнице. Результаты: По сравнению с базовой модель с ФСС снижает напряжения на 15-16%. Модель III (ромбовидный допуск ФСС) работает лучше всего с минимальными деформациями и напряжениями. Модель I (Круговой ФСС) уменьшает напряжения, но увеличивает деформации, в то время как модель II (Ромбовидый ФСС) уравновешивает снятие напряжений и структурную стабильность. Обсуждение: ФСС улучшает механические характеристики бедренного импланта в динамических условиях. Вывод: ФСС улучшают биомеханические характеристики и уменьшают степень разрушения материала. Оптимизированные модели с ФСС могут помочь справиться с деформациями и напряжениями, а модель III (ромбовидный допуск ФСС) лучше всего подходит для приложений, которые нуждаются в высокой производительности с низкими отклонениями и напряжениями.
Ключови думи: ANSYS; биомеханика; анализ конечных элементов (АКЕ); бедренный имплант; движения человека; статический анализ; функции снятия стресса
| Литература: (click to open/close) | [1] Merola, M. and Affatato, S., 2019. Materials for hip prostheses: a review of wear and loading considerations. Materials, 12, 3, 495.
[2] Gok, M.G., 2022. Creation and finite-element analysis of multi-lattice structure design in hip stem implant to reduce the stress-shielding effect. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 236, 2, 429-439.
[3] Hebbal, M.S., Math, V.B. and Sheeparamatti, B.G., 2009. A study on reducing the root fillet stress in spur gear using internal stress relieving feature of different shapes. International Journal of Recent Trends in Engineering, 1, 5, 163-165.
[4] Zhang, L.C., Chen, L.Y. and Wang, L., 2020. Surface modification of titanium and titanium alloys: technologies, developments, and future interests. Advanced Engineering Materials, 22, 5, 1901258.
[5] Mantripragada, V.P., Lecka‐Czernik, B., Ebraheim, N.A. and Jayasuriya, A.C., 2013. An overview of recent advances in designing orthopedic and craniofacial implants. Journal of biomedical materials research Part A, 101,11, 3349-3364.
[6] Voinarovych, S., Kyslytsia, O., Masiuchok, O., Kuzmych-Ianchuk, I., Kaliuzhnyi, S., Polovetskyi, Y., Petkov, V., Drenchev, L., Valov, R., Dyakova, V. and Teodossiev, D., 2019. Biocompatible composite coating of titanium glass carbon. Series on Biomechanics, 33, 4, 40-46.
[7] Elias, C.N., Lima, J.H.C., Valiev, R. and Meyers, M.A., 2008. Biomedical applications of titanium and its alloys. Jom, 60, 46-49.
[8] Guo, L., Naghavi, S.A., Wang, Z., Varma, S.N., Han, Z., Yao, Z., Wang, L., Wang, L. and Liu, C., 2022. On the design evolution of hip implants: A review. Materials & Design, 216, 110552.
[9] Colic, K., Sedmak, A., Grbovic, A., Tatic, U., Sedmak, S. and Djordjevic, B., 2016. Finite element modeling of hip implant static loading. Procedia Engineering, 149, 257-262.
[10] Chethan, K.N., Zuber, M. and Shenoy, S., 2019. Finite element analysis of different hip implant designs along with femur under static loading conditions. Journal of Biomedical Physics & Engineering, 9, 5, 507.
[11] Jiang, H.B., 2007. Static and dynamic mechanics analysis on artificial hip joints with different interface designs by the finite element method. Journal of Bionic Engineering, 4, 2, 123-131.
[12] Senalp, A.Z., Kayabasi, O. and Kurtaran, H., 2007. Static, dynamic and fatigue behavior of newly designed stem shapes for hip prosthesis using finite element analysis. Materials & design, 28, 5, 1577-1583.
[13] Van Thoan, P., Wen, G., Yin, H., Ld, H. and Sy Nguyen, V., 2015. Optimization design for spur gear with stress-relieving holes. International Journal of Computational Methods, 12, 02, 1550006.
[14] Sabatini, A.L. and Goswami, T., 2008. Hip implants VII: Finite element analysis and optimization of cross-sections. Materials & Design, 29, 7, 1438-1446.
[15] Prabowo, A.R., Sohn, J.M. and Triyono, J., 2020. Finite element analysis of different artificial hip stem designs based on fenestration under static loading. Procedia Structural Integrity, 27, 101-108.
[16] Ebeling, C. and Raiser, L., 2019. Sensitivity-Analysis in biomechanical modelling and its relevance for total hip arthroplasty an application oriented analysis. Series on Biomechanics.
[17] Beltagi, A., Guitteny, S., Amirouche, F., Imran, I., Elhafez, S. and Mohamed, G., 2021. Noninvasive prediction of compressive strength and fracture of thoracolumbar vertebrae: finite element analysis. Series on Biomechanics.
[18] Bergmann, G., Bender, A., Dymke, J., Duda, G. and Damm, P., 2016. Standardized loads acting in hip implants. PloS one, 11, 5, p.e 0155612.
|
|
| Дата на публикуване: 2024-11-15
(Price of one pdf file: 39.00 BGN/20.00 EUR)
