人工髋关节力学分析和优化设计

发布时间：2016-11-12 15:48

  本文关键词：人工髋关节力学分析和优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

《广西工学院》 2012年

人工髋关节力学分析和优化设计

朱慧  

【摘要】：当人体髋关节活动明显受限时，医生通常采用人工髋关节对患者髋关节进行置换。只有置换适合个体的人工髋关节，才能帮助患者减缓病情，恢复髋关节的基本功能。为了设计出最佳的人工髋关节产品，本文采用建立优化数学模型的方式，获得人工髋关节的设计参数。 首先，参考人工髋关节的生物力学特性，重点考虑股骨头与髋臼之间的应力分布情况，将人工髋关节实际产品简化，建立有限元分析模型。再结合人工髋关节的力学模型对人工髋关节有限元模型施加载荷，利用ANSYS软件进行静力分析，获得人工髋关节的最大等效应力分布在髋臼假体内侧边缘，其最大值为40.603MPa。然后，对人工髋关节有限元分析模型进行约束模态求解，结果表明髋臼假体内侧外缘比较薄弱，，设计时需考虑增加髋臼假体厚度，或选择合适的假体材料增加其耐磨性。其次，分析人工髋关节各几何尺寸之间的相互关系和人工髋关节置换术中安放位置要求，将人工髋关节有限元模型的静力分析过程，重新以参数化建模的方式求解，利用参数化设计语言APDL建立.log文件。选取髋臼假体展角、前倾角、股骨颈干角的补角、股骨颈长度、股骨头半径、股骨头与髋臼内衬之间的距离、髋臼假体厚度等几何尺寸为设计变量；人工髋关节置换后的屈曲、伸展、外旋、内旋、外展和内收角度，以及股骨颈偏置距设置为状态变量；以降低综合应力为目标建立优化数学模型；再调用ANSYS中的优化器中一阶方法迭代求解，获得人工髋关节的最佳设计的参数。最后，基于赫兹弹性理论结合ANSYS中设计变量和状态变量，建立MATLAB中优化数学模型，选用MATLAB优化工具箱中的FMINCON优化方法进行迭代求解。并将求解结果与ANSYS中优化结果进行比较，最终确定人工髋关节的最佳设计参数为髋臼假体展角度为50°；髋臼假体前倾角度为8°；股骨颈干角为58°；股骨颈长度为31mm；股骨头半径为15mm；股骨头与髋臼内衬之间的距离为0.1mm；髋臼假体厚度10mm；求得综合应力为22.676MPa，相对原人工髋关节模型所求得的值降低约40%。

【关键词】：
【学位授予单位】：广西工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH789
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 隋立明;谭世江;张立勋;;气动肌肉驱动关节参数的优化设计[J];工程设计学报;2008年04期

2 王以进;李永丰;戴克戎;郑泽坤;;人工关节置换中的股骨杆的应力分析[J];骨与关节损伤杂志;1993年01期

3 桂鉴超,周强,顾湘杰,沈海琦,马昕,陈劲松,王以进;股骨质量对人工髋关节置换之影响的三维有限元分析[J];骨与关节损伤杂志;2000年03期

4 胡孔足;张先龙;;有限元分析法与人工髋关节生物力学研究[J];国际骨科学杂志;2008年06期

5 胡迎春;朱慧;;基于分块法的人工髋关节模态分析[J];广西工学院学报;2011年02期

6 陈作炳,钮军;人工关节实体造型参数化设计[J];计算机辅助设计与图形学学报;2002年12期

7 吴华杰;崔国起;杜玉明;谷芳;;基于逆向工程的个性化人工关节三维CAD数模的建立[J];机械设计;2009年01期

8 王景贵;白春宏;;谈谈人工关节置换[J];开卷有益(求医问药);2006年10期

9 薛文东,戴克戎,汤亭亭,龙公;中国人股骨近端几何形态参数的测量和分类[J];生物医学工程学杂志;2002年01期

10 赵雄;雷伟;吴子祥;韩宝君;严亚波;;人工颈椎复合关节系统优化设计的解剖学参数测量[J];实用医学杂志;2009年11期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 胡迎春;甘蔗收获机械的多学科优化理论及关键技术的研究[D];广西大学;2006年

2 戴雪松;人工关节置换术的不同固定方式下的髋臼侧应力分析[D];浙江大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 段旭明;基于RPM-CVI碳/碳复合材料人工骨成型技术研究[D];大连理工大学;2004年

2 王婧;人工关节个体化定制设计应用研究[D];新疆大学;2007年

3 巩慧明;股骨三维重建与髋关节置换的有限元分析[D];厦门大学;2009年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 傅光耀;王浩;;薄钢铺板对平台主梁变形影响的试验研究和分析[J];四川建筑科学研究;2006年02期

2 常玉珍;吴敏哲;;组合肋壳几何非线性分析[J];四川建筑科学研究;2006年05期

3 王青;徐港;;剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例[J];四川建筑科学研究;2006年06期

4 王开强;孙飞飞;胡大柱;;多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年06期

5 王江;周晖;宋雪峰;;变截面工形柱平面内弹塑性极限承载力研究[J];四川建筑科学研究;2008年01期

6 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期

7 肖烨;陈剑毅;易萍华;;自由度匹配技术在框架结构损伤识别中的应用研究[J];四川建筑科学研究;2011年02期

8 沈宗斌;高炉冷却壁热应力计算与研究[J];鞍钢技术;1997年02期

9 方开敏;张宜辉;;基于VB.NET连续梁设计计算程序开发研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2009年05期

10 阎晓铭;胡守营;王传甲;;深圳某超高层公寓楼结构动力性能研究[J];安徽建筑;2011年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 宫建国;陶钧;曾胜;金涛;;地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年

2 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年

3 杨海明;陈恒良;朱魁章;杜文飞;;闭式节流制冷器的研制分析[A];安徽省第五届“兴皖之光”青年学术年会论文集（工科卷）[C];2005年

4 王青平;白武明;王洪亮;;多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届（2011年度）学术年会论文集(上)[C];2012年

5 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展（2011年）[C];2011年

6 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展（2011年）[C];2011年

7 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年

8 王彬;;基于APDL的大口径反射镜优化设计[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年

9 周清华;杜留法;杨雄辉;;减摇鳍加强结构CAD/CAE一体化的若干关键技术探讨[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年

10 樊征兵;何欢;陈国平;;不确定结构的模态和动响应分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（2011）上册[C];2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张红哲;车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D];长春理工大学;2010年

2 贺士晶;核动力装置参数优化设计[D];哈尔滨工程大学;2010年

3 李方义;区间非概率多目标优化设计方法及其在车身设计中的应用[D];湖南大学;2010年

4 查云飞;类菱形车转向系统研究与分析[D];湖南大学;2010年

5 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年

6 潘健怡;铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究[D];华南理工大学;2010年

7 许兰贵;变壁厚大锥度薄壁铝罐成形关键技术的研究[D];华南理工大学;2010年

8 谭林;基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D];华南理工大学;2010年

9 卢兆刚;基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D];浙江大学;2011年

10 王晓鹏;先进三维集成电路（3D-IC）中硅通孔（TSV）和氮化镓（GaN）场效应管中的电—热—力特性研究[D];浙江大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年

2 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年

3 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年

4 夏云清;装载机差速器齿轮的非线性接触与疲劳寿命分析[D];浙江理工大学;2010年

5 王志宽;大直径人工挖孔扩底桩承载力试验研究与工程应用[D];郑州大学;2010年

6 辛栋;纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测[D];郑州大学;2010年

7 张彩香;发射筒口分瓣式隔水膜刚度强度分析[D];郑州大学;2010年

8 苗军伟;注塑成型和模具结构一体化分析[D];郑州大学;2010年

9 王伟兵;股骨和应力调控型带锁髓内钉的有限元分析[D];郑州大学;2010年

10 胡志超;箱型钢筋混凝土倒虹吸非线性有限元分析[D];郑州大学;2010年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 万军,涂序彦;基于知识的广义优化方法[J];北京科技大学学报;1999年04期

2 李英平,郭瑞芳;股骨上端解剖学观测与人工股骨头置换[J];承德医学院学报;2000年03期

3 陈强;侯铁胜;杨国标;何大为;石志才;傅强;;全颈椎三维有限元模型的建立[J];第二军医大学学报;2006年05期

4 谷良贤,龚春林;多学科设计优化方法比较[J];弹箭与制导学报;2005年01期

5 张美超,廖进民,李敏,赵卫东;激光三维扫描系统重建下颌骨[J];第一军医大学学报;2004年07期

6 张美超,史风雷,赵卫东,欧阳钧,钟世镇;髋关节外展不同角度股骨颈应力分布的有限元分析[J];第一军医大学学报;2005年10期

7 于权符;;开发硅橡胶模具加速新产品试制[J];电子工艺技术;1991年03期

8 姜海波;葛世荣;;基于CT扫描人体股骨的有限元分析[J];工程力学;2007年10期

9 李芳,凌道盛;工程结构优化设计发展综述[J];工程设计学报(机械·设备和仪器的开发技术);2002年05期

10 陈琪锋,戴金海;多目标的分布式协同进化MDO算法[J];国防科技大学学报;2002年04期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 钱仲焱;复杂结构协同优化理论、方法及技术的研究[D];浙江大学;2001年

2 张玉朵;股骨三维重建与人工髋关节生物力学研究[D];天津大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 郭健;多学科设计优化技术研究[D];西北工业大学;2001年

2 任晓智;小型甘蔗收获机械断尾机构的创新设计与仿真研究[D];广西大学;2003年

3 林青云;轮式小型甘蔗收获机的虚拟样机研究及其运动仿真分析[D];广西大学;2004年

4 周敬辉;基于虚拟样机技术的小型履带式甘蔗联合收割机的研究[D];广西大学;2004年

5 王汝贵;甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D];广西大学;2004年

6 宋江;小型甘蔗收获机液压系统设计与动态特性分析[D];广西大学;2005年

7 马小娟;甘蔗收获机智能设计知识库系统的研究[D];广西大学;2005年

8 邹渊渊;人工髋关节假体系统的生物力学研究[D];天津大学;2006年

9 许金栋;股骨—假体系统中不同物理参数假体对骨重建的影响分析[D];重庆大学;2007年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郭方全;张培志;李莉;;人工髋关节用陶瓷材料的研究进展[J];机械工程材料;2011年05期

2 朱云仙,何亚飞,王成焘;个性化人工髋关节的设计与制造[J];机械制造;2003年08期

3 韩树洋;葛世荣;;股骨头形状对人工髋关节力学行为影响的有限元分析[J];航天医学与医学工程;2010年05期

4 姚振强;人工髋关节假体的加工方案及夹具设计[J];机械设计与研究;1997年02期

5 王智林;;脊柱侧弯矫正器和人工髋关节成套器械通过鉴定[J];中国医疗器械杂志;1982年04期

6 姜海波;葛世荣;;人工髋臼接触力学特性的有限元分析[J];航天医学与医学工程;2007年03期

7 陈铭;王成焘;;滚动摩擦:一种新的人工关节设计[J];机械设计与研究;2006年05期

8 吴峻松,凌玲,王成焘;定做式人工髋关节设计与加工中股骨轮廓提取方法[J];机械设计与研究;1998年04期

9 骏马;;微型烧结型多孔表面人工髋关节通过鉴定[J];医疗装备;1990年06期

10 王涛,蔡建国;定做式人工髋关节的CAM实践分析[J];机械设计与研究;1999年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 逄燕;张成印;刘赵淼;;人工髋关节润滑的数值模拟[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

2 杨峻;刘江华;沈云峰;杨浩;;人工髋关节翻修手术的临床体会(附19例临床报道)[A];玉溪市第三届二次骨科学术研讨会论文汇编[C];2009年

3 张育成;张军;于方提;张波;陈汉文;宋晓军;;无柄人工髋关节临床应用(附22例8年临床随访)[A];第七届全国康复医学工程与康复工程学术研讨会论文集[C];2010年

4 蒋垚;;人工髋关节术后康复和处理[A];中国康复医学会第三次康复治疗学术大会论文汇编[C];2002年

5 林月秋;阮默;徐永清;;无柄人工髋关节的生物学特性及临床应用体会(附62例报告)[A];第十九届中国康协肢残康复学术年会论文选集[C];2010年

6 刘海俐;;心脏起搏器辅助下人工髋关节置换术护理11例体会[A];第三届全国铁路护理学术交流会论文集[C];2004年

7 张重华;汪红莉;;人工髋关节转换术的围手术期护理[A];中华护理学会第7届消毒供应中心发展论坛论文汇编[C];2011年

8 张重华;汪红莉;;人工髋关节转换术的围手术期护理[A];第13届全国骨科护理学术交流会议、全国社区护理学术交流会议论文汇编[C];2011年

9 钱本文;;无柄髋关节是少量应力遮挡的人工髋关节[A];第十九届中国康协肢残康复学术年会论文选集[C];2010年

10 曹飞;张旭辉;徐顺利;王世海;;无柄解剖型人工髋关节置换术治疗无菌性股骨头坏死21例近期疗效观察[A];第十九届中国康协肢残康复学术年会论文选集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 华迅;[N];中国医药报;2004年

2 北京友谊医院 吴静;[N];健康时报;2009年

3 欣华;[N];医药经济报;2004年

4 徐瑞玉;[N];健康报;2003年

5 徐瑞玉;[N];中国中医药报;2003年

6 陈茂樑 余宁宁;[N];中国医药报;2006年

7 张乐;[N];医药经济报;2006年

8 何雷;[N];科技日报;2008年

9 康健军;[N];大众卫生报;2006年

10 本报记者 应庆;[N];中国医药报;2005年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张翘;外柄式人工髋关节假体的生物力学研究[D];吉林大学;2004年

2 杜心如;股骨上段髓腔几何形态学研究[D];中国人民解放军军医进修学院;2004年

3 吴竞萍;人工髋关节磨粒特征及磨损机理研究[D];武汉理工大学;2013年

4 陆晴友;人工髋关节优选专家系统的初步研制[D];第二军医大学;2005年

5 姜海波;人体下肢关节系统的生物力学行为研究[D];中国矿业大学;2008年

6 贾育松;中药淫羊藿苷预防人工髋关节无菌性松动实验研究[D];成都中医药大学;2008年

7 黄传辉;人工髋关节的磨损行为及磨粒形态研究[D];中国矿业大学（北京）;2004年

8 吴啸波;髋臼后柱部位骨折基础与临床相关研究[D];河北医科大学;2010年

9 宋朝晖;髋臼骨折对髋关节生物力学行为的影响及相关研究[D];河北医科大学;2004年

10 吴浩波;经髋臼螺钉固定髋臼假体的改良钉道参数、力学价值、临床分析[D];浙江大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨默笛;人工髋关节翻修18例随访分析[D];吉林大学;2012年

2 刘志红;国产试验人工髋关节（钻石非骨水泥人工髋关节）置换术后临床观察[D];山东中医药大学;2013年

3 程倩;金属对金属人工髋关节边缘接触效应[D];武汉科技大学;2011年

4 周磊;人工髋关节翻修病例随访分析（附20例病例）[D];吉林大学;2013年

5 胡铮铭;金属对金属人工髋关节的动态接触及磨损预测[D];武汉科技大学;2011年

6 刘克贵;310例人工髋关节置换术疗效分析[D];山东大学;2005年

7 曾霞光;磁悬浮人工髋关节设计及其磁力研究[D];南昌大学;2010年

8 翟利锋;人工髋关节置换术后翻修19例分析[D];浙江大学;2006年

9 林剑波;34例人工髋关节翻修的原因分析及处理[D];福建医科大学;2010年

10 王江乔;髋关节置换术后应力场模拟初探[D];浙江大学;2005年

  本文关键词：人工髋关节力学分析和优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：172268