Systems. Methods. Technologies 4(36) 2017

Системы Методы Технологии . В . Ю . Скиба и др . Анализ напряженно - деформированного … 2017 № 4 (36) с . 93-102 93 УДК 531/534; 617.3 DOI: 10.18324/2077-5415-2017-4-93-102 Анализ напряженно-деформированного состояния проектируемых конструкций эндопротезов коленного сустава В . Ю . Скиба a , В . В . Иванцивский b Новосибирский государственный технический университет , пр . К . Маркса 20, Новосибирск , Россия а skeeba_vadim@mail.ru , b ivancivskij@corp.nstu.ru Статья поступила 7.09.2017, принята 3.10.2017 При проектировании конструкций эндопротезов коленного сустава одной из главных задач является определение дейст - вующих полей напряжений и деформаций в условиях усталостного воздействия . Поскольку построение физических моделей биомеханического поведения конструктивных элементов сустава достаточно трудоемко , решение указанной задачи стано - вится возможным благодаря использованию математического моделирования методом конечных элементов . Цель работы заключается в определении рациональной конструкции эндопротеза , работающего в условиях многоциклового нагружения . Методика экспериментального исследования предполагает обработку данных компьютерного томографа и 3D- сканера ме - тодами реверсивного инжиниринга с использованием функционала среды PowerShape и создание триангулированных поверх - ностей базовых контактных поверхностей стыковых элементов конструктивных элементов эндопротеза . Программными средствами CAD системы SolidWorks были подготовлены сборки возможных комбинаций конструкций протеза коленного сустава . Реализация математической модели происходила в многоцелевом программном комплексе ANSYS. При моделирова - нии использовалась модель изотропного поведения тел . В результате численного моделирования для каждого разрабатывае - мого варианта коленного сустава получены поля распределения абсолютных ( полных ) и относительных деформаций , эквива - лентных напряжений , а также распределения коэффициента по усталостной прочности . Установлено , что в условиях мно - гоциклового усталостного воздействия часть вариантов конструкций коленного сустава показала неудовлетворительные результаты , поскольку уровень действующих напряжений в элементах указанных сборок достигает , а в некоторых случаях превышает предельные значения для материалов . Как следствие , минимальное значение коэффициентов запаса по усталост - ной прочности становится меньше единицы . В ходе исследований установлено , что конструкция , включающая сборный фе - моральный компонент из сплава Ti-Al-V с полимерными вставками , керамические вкладыши составной проставки и сборный тибиальный компонент из сплава Ti-Al-V, имеет следующие характеристики коэффициента запаса по усталостной прочно - сти : феморальный компонент — 4.2; полимерные вставки феморального компонента — 1.2; керамические вкладыши состав - ной проставки — 3.1; тибиальный компонент — 2.7. Данная конструкция эндопротеза является перспективной и рекомендо - вана для дальнейшей конструкторской и технологической проработки . Ключевые слова : проектирование ; конечно - элементное моделирование ; эндопротез ; коленный сустав ; напряженно - деформированное состояние ; коэффициент запаса прочности . Mode of deformation analysis of the designed knee joint endoprostheses V.Yu. Skeeba a , V.V. Ivancivsky b Novosibirsk State Technical University; 20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, Russia а s к eeba_vadim@mail.ru , b ivancivskij@corp.nstu.ru Received 7.09.2017, accepted 3.10.2017 One of the main tasks in designing a knee joint endoprosthesis is to define the active stress and deformation fields under fatigue conditions. Since physical models construction of the joint structural elements biomechanical behavior is quite labor-intensive, it is possible to solve this problem by using finite elements method in mathematical modeling. The purpose of the work was to define the efficient design of the endoprosthesis working in a multicycled loading environment. Methods. The data from the computerized tomo- graphic and 3D scanners were processed by reverse engineering methods using the PowerShape functional environment which allowed creating triangulated surfaces of the base contact surfaces of the endoprosthesis structure butt elements. The SolidWorks CAD system software produced possible assemblies combinations of the knee-joint prosthesis. The implementation of the mathematical model was performed in ANSYS multipurpose program complex. An isotropic model of the body behavior was used in the simulation. Results and discussion. As a result of the numerical simulation the following data were obtained for each of the designed knee joint versions: the distribution fields of absolute (full) and relative deformations; equivalent stress distribution fields; fatigue strength factor distribution fields. A part of the knee joint designs variations are established to have shown unsatisfactory results under multicycle fatigue condi- tions, as the active stresses level in those assemblies elements reaches (and in some cases exceeds) limit values for the materials. As a result, the minimum value of the fatigue strength safety factor is less than one. In the course of the research it has been established that the design of a composite femoral component of a Ti-Al-V alloy with polymer inserts; ceramic liners of the compound separator; a com- posite tibial component from the Ti-Al-V alloy, has a fatigue strength factor with the following characteristics: for the femoral compo- nent - 4.2; for the femoral component polymer inserts - 1.2; for the ceramic liners of the compound separator - 3.1; for the tibial com- ponent - 2.7. This endoprosthesis structure is a promising design and is recommended for further technological development. Keywords: designing; finite element modulation; endoprosthesis, knee joint; mode of deformation, safety factor.