Model MES endoprotezy stawu kolanowego

W tym poście przedstawię wyniki obliczeń numerycznych MES dla cyfrowego modelu endoprotezy stawu kolanowego (część piszczelowa), zbudowanej z trzpienia, wykonanego ze stopów Cr-Ni-Mo, oraz wkładki polietylenowej połączonej z trzpieniem. Symulacje obciążenia endoprotezy oraz model cyfrowy wykonano w środowisku Ansys. Model numeryczny został stworzony w oparciu o obiekt rzeczywisty z uwzględnieniem jego geometrii oraz danych materiałowych. W celu uzyskania dokładnych wyników, zamodelowano kość piszczelową, połączoną z endoprotezą, z uwzględnieniem właściwości mechanicznych tkanki zbitej i gąbczastej kości (model uproszczony do walca o długości 400 mm).

Symulacje i wyniki

Celem symulacji było zbadanie wpływu sił, wywołanych podczas ruch pacjenta, na koncentracje i wartości naprężeń wraz z odkształceniami wkładki etylenowej. W badaniach przeanalizowano 6 przypadków obciążeń, ale w tym wpisie zajmę się skrajnym modelem obciążenia:

• Pacjent wykonuje wyskok w górę oraz ląduje obunóż – siła równomiernie rozmieszczona na obie powierzchnie trące wkładki polietylenowej (około 4,5 x masa ciała [1]) masa = 90kg.

Wyniki (naprężenia w MPa):

Wnioski:

• Koncentracje naprężeń na powierzchni styku wkładki polietylenowej (miejsca zniszczenia powierzchni po długim użytkowaniu)
• Największe naprężenia trzpienia występują na jego brzegach oraz u podstawy kolca trzpienia. Naprężenia te mają kluczowe znaczenie podczas procesów pękania czy obluzowywania endoprotezy – może dojść do pęknięcia zmęczeniowego materiału
• Nieprzekroczona granica plastyczności materiału mimo dużej wartości siły (4 kN) dla danego stopu  R0,2= 300 MPa

Literatura:

1. Nałęcz M.: Biomechanika i inżyniera rehabilitacyjna, EXIT, Warszawa 2004

Zobacz jeszcze wpis o alloplastyce stawu kolanowego.

Więcej z tego działu TU