陶瓷髋关节假体系统摩擦噪声问题的有限元分析

发布时间：2024-03-31 03:51

　　建立陶瓷髋关节假体系统有限元模型,采用ABAQUS复特征值分析法对陶瓷髋关节假体系统可能出现的摩擦噪声问题进行分析,并探讨了系统参数和振动噪声之间的关系。研究结果表明,髋臼子系统和球头子系统均有可能是摩擦噪声的主要声源。摩擦因数增大导致髋关节系统发生模态耦合,从而增强系统的振动强度和噪声产生倾向。髋关节系统摩擦噪声主要出现在其绕X轴和Y轴转动,但是两种状态产生振动的振型模态有所区别。通过对速度和系统摩擦振动噪声的关系研究后发现,髋关节异响问题往往出现在速度较低的时候,当速度大于一定临界值时,系统保持稳定。此外,当载荷越大时,摩擦界面形成应力集中和能量堆积,导致系统产生更多频率的不稳定振动,且振动强度和倾向增大。合理地选择球头直径,对改善髋关节摩擦噪声有积极的效果。文中当球头直径为36 mm时髋关节系统处于稳定状态,没有摩擦振动噪声产生。另外,通过降低股骨柄弹性模量,使其等于股骨弹性模量后,能够显著改善系统振动噪声倾向,降低振动强度,这对改善摩擦噪声问题有积极作用。

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【部分图文】：

图1三维人工髋关节模型及其约束条件

(2）约束条件。髋关节系统的边界条件设为骨架A边缘和骨架B边缘完全固定。定义陶瓷球头和陶瓷衬垫之间的接触算法为切向罚函数算法结合小滑移算法。定义摩擦模型为库仑摩擦。人工髋关节模型的材料参数和网格特性如表1所示。

图2髋臼子系统自然频率和模态

考虑到髋关节系统在摩擦运动过程中，当摩擦力的激励和系统的固有频率非常接近时，系统有可能因此产生共振，并对外发射出一定频率的噪声。因此，本部分对两个子系统在约束状态下的固有频率和模态进行分析，以判断不同噪声频率下可能的系统声源，结果如图2、图3所示。可见在10000Hz频率范围....

图3球头子系统自然频率和模态

图2髋臼子系统自然频率和模态2.2摩擦激励下振动特性分析

图4髋关节摩擦系统阻尼比随摩擦因数的变化情况

进一步地，采用复特征值分析法来研究人工髋关节系统在摩擦过程中的振动特性，基于模态耦合理论判断系统可能出现的不稳定振动频率和对应的模态振型。考虑到髋关节系统在患者运动过程中，沿X方向的转动这个动作发生最为频繁，因此设置球头子系统以1rad/s的速度绕X轴转动。图4表示为髋关节摩擦....

本文编号：3943406