人工關(guān)節(jié)彈性流體動(dòng)力潤滑分析及磨損研究.pdf

1、人工膝關(guān)節(jié)置換是治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和骨性關(guān)節(jié)炎最有效、最成功的手段。通常，全膝人工關(guān)節(jié)是由金屬/陶瓷股骨假體、超高分子量聚乙烯襯墊和金屬底座等幾部分組成。臨床統(tǒng)計(jì)學(xué)資料顯示，超高分子量聚乙烯襯墊的磨損是影響膝關(guān)節(jié)假體壽命的主要因素。如何從生物摩擦學(xué)的角度設(shè)計(jì)人工膝關(guān)節(jié)假體、研究膝關(guān)節(jié)假體失效的摩擦學(xué)機(jī)理和提高假體的使用壽命，一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的前沿課題。
　　 本論文從兩個(gè)方面開展了人工膝關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)研究。一方面根據(jù)彈性

2、流體動(dòng)力潤滑理論，圍繞著關(guān)節(jié)在體內(nèi)潤滑機(jī)制這一主題，采用多重網(wǎng)格法，對(duì)膝關(guān)節(jié)假體的潤滑進(jìn)行了數(shù)值仿真；另一方面，從生物力學(xué)的角度研究膝關(guān)節(jié)假體的磨損原因，采用有限元方法，建立了人工膝關(guān)節(jié)股骨-脛骨接觸模型，對(duì)各個(gè)典型步態(tài)相進(jìn)行了股/脛骨假體的有限元接觸分析，討論了人工膝關(guān)節(jié)假體主要磨損形式的生物力學(xué)機(jī)理。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 完整的人工膝關(guān)節(jié)彈流潤滑分析是研究人工膝關(guān)節(jié)潤滑問題的基礎(chǔ)。本課題利用三坐標(biāo)測(cè)量儀反求實(shí)

3、際關(guān)節(jié)產(chǎn)品，建立假體的三維模型，通過曲線擬合得到股骨假體和脛骨假體在前后方向及側(cè)方向上的曲線輪廓形狀；選取步態(tài)運(yùn)動(dòng)這一日常運(yùn)動(dòng)作為參考，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)確定關(guān)節(jié)假體的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)參數(shù)；把步態(tài)運(yùn)動(dòng)中的股骨假體的屈伸運(yùn)動(dòng)和脛骨平臺(tái)的前后移動(dòng)同時(shí)考慮到流體潤滑仿真中，確定流體表面相對(duì)速度。數(shù)值仿真過程中，施加的載荷和名義接觸中心處的相對(duì)速度都是時(shí)間的變量，由此建立了膝關(guān)節(jié)時(shí)變彈流潤滑的基本數(shù)值模型。
　　 首先研究了理想狀態(tài)下人工膝關(guān)節(jié)流

4、體潤滑問題，即忽略端泄方向的影響。針對(duì)膝關(guān)節(jié)流體潤滑分析中的變速變載變曲率的特點(diǎn)，利用多重網(wǎng)格法，建立了膝關(guān)節(jié)時(shí)變線接觸彈流潤滑數(shù)值仿真方法，并設(shè)計(jì)了多重網(wǎng)格算法研究時(shí)變彈流潤滑問題的完整流程，其中關(guān)節(jié)支承表面的彈性變形按半無限平面理論計(jì)算得到。研究結(jié)果表明：在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，承載區(qū)流體中心壓力與外載荷變化基本相一致；站立相時(shí)，受卷吸和擠壓效應(yīng)的共同作用下，中心膜厚呈逐漸減小并伴隨著波動(dòng)；擺動(dòng)相時(shí)，載荷固定，中心膜厚的波動(dòng)主要受卷吸速度的作

5、用；運(yùn)動(dòng)過程中，股骨髁曲率半徑的改變可引起流體壓力和潤滑膜厚跳躍；減小脛骨平臺(tái)主運(yùn)動(dòng)方向上的曲率半徑，有助于增加流體潤滑效果。
　　 在時(shí)變線接觸彈流潤滑問題的數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了人工膝關(guān)節(jié)時(shí)變點(diǎn)接觸彈流潤滑問題的多重網(wǎng)格算法。數(shù)值計(jì)算中僅考慮超高分子量聚乙烯襯墊的變形，且彈性變形按約束柱模型計(jì)算。分析結(jié)果顯示：站立相，中心膜厚呈逐漸減小趨勢(shì)，站立相末期，載荷迅速減小，而中心膜厚的變化比較平緩；減小超高

6、分子量聚乙烯材料的彈性模量和步態(tài)的時(shí)長、增加超高分子量聚乙烯襯墊的厚度以及提高關(guān)節(jié)假體側(cè)方向上的匹配度，都有助于增加潤滑膜厚，改善關(guān)節(jié)假體的潤滑效果。
　　 超高分子量聚乙烯脛骨假體的應(yīng)力分布是判定膝關(guān)節(jié)假體磨損失效的重要依據(jù)。為此，建立了人工膝關(guān)節(jié)假體的非線性有限元接觸模型，觀察各步態(tài)相下超高分子量聚乙烯脛骨假體的表面接觸壓力及其應(yīng)力分布。研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，超高分子量聚乙烯脛骨假體的最大Mises等效應(yīng)力主要集中在假體接

7、觸區(qū)的下表面，與最大剪應(yīng)力的發(fā)生位置相吻合，這是造成假體疲勞和過度磨損的主要原因。
　　 最后，采用了一種快速測(cè)定磨損區(qū)的方法。試驗(yàn)前在股骨假體表面鍍金，將關(guān)節(jié)假體安裝在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行后，根據(jù)假體表面鍍金層的磨損區(qū)能在迅速地確定股骨假體的主承載區(qū)。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與有限元接觸分析結(jié)果，驗(yàn)證上述接觸仿真的合理性。
　　 本文針對(duì)人工膝關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)問題，從關(guān)節(jié)假體的潤滑和磨損兩個(gè)方面展開了深入而系統(tǒng)地研究。首先從