Проектиране и МКE анализ на тазобедрени импланти с функции за облекчаване на стреса за подобряване на биомеханичните характеристики
Р.Паванкумар
, Г.Малеш
Abstract: Хирургичното протезиране на тазобедрената става е често срещана възможност за лечение на пациенти с тежки наранявания на тазобедрената става и дизайнът на тазобедрения имплант оказва критично влияние върху неговите биомеханични характеристики. Това проучване оценява как функциите за облекчаване на стреса (SRF) влияят върху биомеханичните характеристики на тазобедрения имплант по време на различни човешки движения. Цел: Това проучване изследва биомеханичните характеристики на тазобедрените импланти по време на различни човешки движения и предлага характеристики на дизайна за намаляване на концентрациите на напрежение, подобряване на надеждността и намаляване на обема на импланта. Методология: Три геометрични варианта са симулирани с базов модел без FSS, докато моделите I, II и III имат кръгови, диамантени и диамантени толеранси на FSS. Статичният анализ по метода на крайните елементи (FEA) се симулира с помощта на ANSYS 19.2 за ходене, джогинг, скачане и спускане по стълби. Резултати: В сравнение с базовия модел с FSS, напрежението е намалено с 15-16%. Модел III (FSS диамантен толеранс) се представя най-добре с минимално изкривяване и напрежение. Модел I (Circular FSS) намалява напрежението, но увеличава напрежението, докато Модел II (Diamond FSS) балансира облекчаването на напрежението и структурната стабилност. Дискусия: FSS подобрява механичните характеристики на феморалния имплант при динамични условия. Заключение: FSS подобрява биомеханичните характеристики и намалява степента на разрушаване на материала. Оптимизираните FSS модели могат да помогнат при управлението на деформации и напрежения, а Модел III (диамант FSS толеранс) е най-подходящ за приложения, които изискват висока производителност с ниски деформации и напрежения.
Keywords: ANSYS; биомеханика; анализ по метода на крайните елементи (МКЕ); феморален имплант; човешки движения; статичен анализ; функции за облекчаване на стреса
| References: (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.
|
|
| Date published: 2024-11-15
(Price of one pdf file: 39.00 BGN/20.00 EUR)
