作者：岳怀俊; 蒋文涛; 徐凯仁应力遮挡髋关节植入体疲劳性能拓扑优化
摘要：背景 3D打印钛合金存在数量极大的微孔缺陷及组织缺陷,使得结构疲劳寿命极大降低,同时由于假体与股骨的弹性模量不匹配会产生应力遮挡诱发骨溶解,相应部位假体缺乏骨支撑会增大柄中应力,极易产生疲劳失效。目的为保证假体疲劳寿命同时减小应力遮挡效应,建立股骨-假体系统模型对假体柄进行结构优化设计。方法建立某型号髋关节假体三维模型,与逆向工程软件mimics建立的股骨模型进行布尔运算,获得用于计算的股骨-假体系统。采用各向同性材料惩罚模型(SIMP),选取走路和爬楼梯两个工况下的最大载荷,在不同接触属性下结合实验所得3D打印钛合金S-N曲线,以疲劳寿命为约束,体积最小为目标进行优化,得到表征材料分布的密度云图。依据计算结果进行三维重建,获得新的假体构型,并在优化构型的基础上进行静力和疲劳寿命分析。结果优化结果为近端开孔的假体构型,同时由于外载荷的不对称性,近端为非对称开孔,假体疲劳性能随着孔径的增大而降低,应力遮挡随着孔径的增加而减小。结论假体近端开孔能够降低假体刚度,在远端固定较强时增加近端股骨的相互作用,从而减小应力遮挡,开孔后远端最大应力降低,有利于假体疲劳性能的提高,但远端固定效应不会随着孔径增加而减小。
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