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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 哈尔滨工业大学 主编 李隆球 国际刊号ISSN 0367-6234 国内刊号CN 23-1235/T

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引用本文:王沫楠,王红晶,杜志江.股骨假体热应力有限元分析[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(7):38.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2012.07.007
WANG Mo-nan,WANG Hong-jing,DU Zhi-jiang.Finite element analysis of thermal stress of femoral prosthesis[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2012,44(7):38.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2012.07.007
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股骨假体热应力有限元分析
王沫楠1,2, 王红晶3, 杜志江4
1.哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室, 150080 哈尔滨;2.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院,150080 哈尔滨;3.哈尔滨理工大学 机械动力工程学院, 150080 哈尔滨;4.哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室, 150080 哈尔滨
摘要:
为定量研究材料热物性对股骨-假体系统应力的影响,以热弹性力学为基础,利用有限元方法对髋关节置换后股骨-假体系统的应力进行分析.假设假体、骨水泥、股骨为线弹性和各向同性材料且完全结合的同心圆柱体,经力学分析和有限元仿真,分别求得钛合金和钴铬合金作为假体材料时考虑热效应前后的假体/骨水泥、骨水泥/股骨随轴向位置分布的界面剪切应力以及假体、骨水泥、股骨的轴向应力.结果表明:界面失效是股骨-假体系统的主要失效形式,热效应使界面产生了混合而不是纯剪切的失效形式,加快了股骨-假体系统的界面失效,加速了假体柄的松动;由于钴铬合金的热膨胀系数大于钛合金,钴铬合金作为假体材料时更易引起界面失效,导致手术失败.选择热膨胀系数小的假体材料,可以减小界面失效的可能性,提高手术成功率.
关键词:  股骨  假体  钛合金假体;钴铬合金假体;热应力  有限元分析
DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2012.07.007
分类号:R496
基金项目:国家自然科学基金资助项目(61073144); 黑龙江省新世纪优秀人才培养计划资助项目(251NCET006); 机器人技术与系统国家重点实验室开放研究资助项目.
Finite element analysis of thermal stress of femoral prosthesis
WANG Mo-nan,WANG Hong-jing,DU Zhi-jiang
1.State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, 150080 Harbin, China;2.College of Mechanical and Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, 150080 Harbin, China
Abstract:
To study the influence of thermo property on stress of femur-prosthesis system quantitatively, the finite element method is used to analyze the stress of femur-prosthesis system when the hip joint has been replaced, in which the prosthesis, bone cement and femur are assumed as linear elastic and isotropic materials in shape of a concentric cylinder. Considering the thermal effect, the axial stress of prosthesis, bone cement, femur and the interface shear stress along axial of the prosthesis/bone cement and bone cement/femur when the prosthesis are made of titanium alloy and cobalt-chromium alloy are acquired separately by mechanical analysis and FEM simulation.The results indicate that the interface failure is the primary failure mode of the femur-prosthesis system. The existence of thermal effect accelerates the interface failure of femur-prosthesis system and the loose of prosthesis stem. The possibility of interface failure which result in operation failure will ascend when the cobalt-chromium alloy is used, because the thermal expansion coefficient of cobalt-chromium alloys is higher than that of titanium alloy.
Key words:  femur  prosthesis  titanium prosthesis  cobalt-chromium prosthesis  thermal stress  finite element analysis

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