吉林大学学士学位毕业论文
（2）人工髋关节柄部设计过程中，要尽量保证柄部各部分平滑过渡，以减少应力集中。人工髋关节股骨头的设计，提出了多种表面形态结构。并且，柄部和股骨头均给出了相应的图示。
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第四章 人工髋关节的结构力学分析
第四章 人工髋关节的结构力学分析
4.1 概述
本设计主要运用有限元法来进行人工髋关节的结构力学仿真分析，其主要的仿真步骤包括：各部件的载入、各部件材料属性的设定、有限元网格划分（离散化）、部件装配、设定约束、边界条件及接触面、施加载荷等。现将方案定义如下：
a 股骨头无任何加工。
b 股骨头加工三排直径为2mm的对齐微孔。 c 股骨头加工三排直径为1mm的对齐微孔。
d 股骨头上加工三排对齐微孔，一、三排微孔直径为2mm ，二排微孔直径为 1mm。
e 股骨头上加工三排对齐微孔，一排微孔直径为2mm ，二、三排微孔直径为1mm。
f 股骨头上加工两排上下交错微孔，直径为2mm。 g股骨头上加工三排上下交错微孔，直径为2mm。
4.2 人工髋关节材料的参数设定【37】
（1）经查询资料，得到人体股骨的材料属性为：
弹性模量E=1.62 x 104 M Pa 、泊松比 μ=0.36
（2）人工髋关节股骨头的材料钛合金，经查，其材料属性为： 弹性模量E=1.1 x 105 M Pa 、泊松比 μ=0.3
（3）人工髋关节柄部的材料为钛合金材料，经查，其材料属性为： 弹性模量E=1.1 x 105 M Pa 、泊松比 μ=0.3
4.3 人工髋关节各部件的离散化处理【30】
将建立的人体髋关节的模型保存为专用文件后导入进有限元软件，由于人体髋关节是不规则图形，为了更好的适应模型的不规则性且便于后续分析研究，要对人工髋关节的模型进行离散化处理。此处，运用结构化网格划分技术，对人工髋关节的股骨头部、柄部以及其它与之相配合的部分进行网格划分，经评估，各部件网格均满足分析要求。（划分结果如图4.1中（1）（2）（3）和表4-1所示）。
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（1）股骨网格划分结果示意图
（2）柄部网格划分结果示意图
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第四章 人工髋关节的结构力学分析
（3）股骨头网格划分结果示意图 图4.1网格划分结果示意图 表4-1 网格划分参数 部件 股骨 金属柄 部件 股骨头
c d e f g 方案 a b
单元类型 四面体 四面体 单元类型
四面体
288919 140954 210133 130062 163991 单元数量 420829 16459 单元数量 11476 144522
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4.4 载荷施加、边界约束与接触设定
（1）载荷设定
人体髋关节处的运动极其复杂，本次主要考虑人在静止状态下时关节处的受力情况。受力模型简化为人体静态站立单侧负重，在股骨头的上端一节点处施加垂直向下的集中载荷375N和垂直向左的集中载荷216N，来模拟关节处的受力，其它受力忽略不计（如图4.2所示)。
图4.2 载荷施加示意图
（2）边界约束条件与接触设定
仿真分析时，股骨下端施加固定约束。即在有限元分析软件中，股骨下端所施加约束的节点的自由度都为零（包括三个位移方向的自由度和三个旋转方向的自由度如图4.3所示），模拟静立时膝关节的边界状态。另外，仿真分析主要涉及到人工股骨头与柄、柄与股骨两处的接触约束。其中，柄与股骨之间定义为埋入式（embedded）接触约束，人工股骨头与柄是螺栓连接以进行力的传递（如图4.4所示）。
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