加载方式对股骨柄头颈部应力分布的影响

背景:目前已有股骨柄数值计算与实验标准所用的模型与加载方式还不一致.现在使用的股骨柄有限元计算标准ASTM F2996-2013/YY/T 17142020规定了髋关节股骨柄假体的计算模型为单一的股骨柄,加载方式为刚性区加载;实验标准YY/T 0809.6-2018/ISO 7206:2013规定的模型则包括股骨柄、球头和压板,加载方式为位移加载.由于计算模型和实验模型的不同导致了计算结果与实验结果相差较大,而当计算模型与实验模型一致时且加载方式相同时,二者结果的差值明显减小.这表明采用ASTM F2996-201/YY/T 17142020标准的计算模型和加载方式还存在明显缺陷.目的:研究不同加载方式对股骨柄头颈部应力分布的影响,减少计算结果和实验结果的误差,用球头压板模型和位移加载方式替代现有股骨柄数值计算的标准,提高计算精度.方法:①数值模拟:通过有限元分析软件ANSYS APDL对单一股骨柄和股骨柄球头压板2种计算模型分别采用刚性区加载和位移加载,得到2种模型和不同加载方式下股骨柄头颈部的应力分布规律;②电测实验:利用球头压板对股骨假体柄施加载荷通过在柄颈部贴应变片得到应变数值;③比较计算结果和实验结果,确定与实验结果接近的计算模型和加载方法.结果 与结论:①股骨柄球头压板模型在位移加载方式下,股骨假体柄的颈部应力峰值为504 MPa,最大拉应力主要集中在头颈部外侧,最大压应力主要集中在头颈部内侧;②单一股骨柄模型在刚性区加载方式下,股骨假体柄的颈部应力峰值为562 MPa,最大拉应力主要集中在头颈部外侧,最大压应力主要集中在头颈部内侧,应力分布规律与位移加载方式接近;③电测实验显示,头颈部内侧应变值为-581.96με,头颈部外侧应变值为666.00με;④与应变片相对应位置位移加载方式下的内侧应变值为-834.91με,外侧应变值为724.32με;刚性区加载方式下内侧应变值为-992.32με,外侧应变值1006.97με;⑤提示采用股骨柄球头压板模型和位移加载方式的结果更接近实验结果,应该作为股骨柄有限元计算的标准.