金属背衬变形对陶瓷人工全髋关节接触力学的影响-硕士毕业论文.docx

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1、硕士学位论文金属背衬变形对陶瓷/陶瓷人工全髋关节接触力学的影响学位申请人：指导教师：教授学科名称：机械工程年月论文题目：金属背衬变形对陶瓷/陶瓷人工全髋关节接触力学的影响学科名称：机械工程学位申请人：指导教师：教授摘要目前人工髋关节假体是治疗髋关节疾病的比较有效的手段并且得到临床的广泛应用。随着髋关节病患者的年轻化以及对髋关节假体寿命要求的不断提高，非骨水泥型陶瓷对陶瓷髋关节假体得到越来越广泛的应用。非骨水泥髋关节是通过假体与盆骨髋臼窝之间的过盈配合来保证其初始的稳定性，随后背衬与髋臼窝界面之间会产生骨长入以确保

2、假体长期的稳定可靠性。然而压配会造成金属背衬的变形，这也可能会对内衬的变形造成影响，随之影响关节的接触力学性能。本研究建立了显式动态有限元仿真模型来研究金属背衬变形对非骨水泥陶瓷对陶瓷人工全髋关节假体接触力学的影响。本研究发现，在金属背衬与髋臼窝之间存在1mm直径干涉量的条件下，对于32mm球头，陶瓷内衬在植入金属背衬内表面时，产生了31μm的直径变形量，相应地，产生了144MPa的最大主应力（拉应力），加载之后变形量以及最大拉应力分别增加至52μm、245MPa。本研究结果表明，降低陶瓷内衬的厚度会引起陶瓷内衬

3、的变形量增加，当厚度由8mm降为6mm时最大拉应力约增加两倍，而当陶瓷内衬由6mm降低至5mm时所产生的拉应力会有些许降低，但是其变化较小（不大于4%）；增加金属背衬的厚度（3mm至8mm）会降低陶瓷内衬的变形，从而会降低在陶瓷内衬产生的最大拉应力（降低量达到41%），能够提高陶瓷关节的安全性能；当金属背衬的弹性模量由110GPa降低至40GPa时，对陶瓷内衬的变形以及最大拉应力的影响较小（不大于4%），进而不会影响关节的安全性；针对不同年龄段病患者（骨密度1g/cm3至1.8g/cm3），骨密度增大会引起陶瓷内

4、衬的变形量增加，应力增加了127%；对于临床中的髋臼窝打磨误差，当误差造成金属背衬与髋臼窝之间的干涉量增加时，其误差会引起最大拉应力的增加，干涉量达到2mm时，会产生297MPa的拉应力，对陶瓷内衬的安全性造成不利的影响。本研究对于临床有重要的指导意义。临床医生应当避免髋臼窝打磨误差的发生；对于骨密度较大的病患者，应当降低金属背衬与髋臼窝之间的干涉量；适宜选择较厚的金属背衬与较薄的陶瓷内衬相配合，可以降低陶瓷关节失效的可能性。同时，应当更青睐于较小弹性模量的金属背衬，不仅不会影响陶瓷内衬的接触力学，还能降低应力遮

5、挡效应，降低骨溶解。关键词：陶瓷对陶瓷髋关节假体；压配；变形；显式动态有限元；接触力学论文类型：应用基础ABSTRACTTitle:TheInfluenceofPress-fitDeformationofMetal-backingShellonContactMechanicsofCeramic-on-ceramicTHADescipline:MechanicalEngineeringApplicant:ChangdongQiuSupervisor:Prof.ZhongminJinABSTRACTTotalhipa

6、rthroplasty(THA)ofceramic-on-ceramic(COC)bearingcombinationsisincreasinglyusedclinically.Themajorityoftheseimplantsareusedwithcementlessfixationthatametal-backingshellispress-fittedintothepelvicbone.Thisusuallyresultsinthedeformationofthemetallicshell,whichma

7、yalsoinfluencetheceramiclinerdeformationandconsequentlythecontactmechanicsbetweenthelinerandthefemoralheadunderloading.TheexplicitdynamicfiniteelementmethodwasappliedtomodeltheimplantationofacementlessCOCwithatitaniumshellandsubsequentlytoinvestigatetheeffect

8、ofthemetallicshelldeformationonthecontactmechanicofceramic-on-ceramicTHA.Themaximumdeformationandthemaximumprincipalstressoftheceramiclinerwere31μmand144MPa(tensilestress)respectivelyafte