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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭存恩
研究生(外文):Tsun-En Kuo
論文名稱:人工髖關節之接觸力學現象研究–有限元素法之應用
論文名稱(外文):The finite element study of contact behavior of the artificial hip joint
指導教授:鄔詩賢
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:人工髖關節骨水泥皮質骨赫茲接觸理論
外文關鍵詞:artificial hip jointbone cementcortical boneHertz contact theorem
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在一般的情況下使用一段時間之後,股骨頭和髖臼杯之間的間隙會逐漸增大,在步態分析上可能會產生一些影響。
本研究主要應用有限元分析與赫茲接觸理論,並討論人工髖關節之間的股柄與髖臼杯受重力負荷之下可能產生的破壞情形。並且在股骨柄與骨水泥和股骨柄與皮質骨相互接觸的地方加入接觸元素。包括股骨柄與髖臼杯分離後所產生之重力負荷分析以及應力分析,並且比較股骨柄與骨水泥和皮質骨,有接觸元素與無接觸元素兩者的關係。
結果顯示,股骨柄與髖臼杯之間的分離量愈大,所產生之衝擊負荷也就愈大,它們之間呈現非線性的關係。當股骨頭愈大與髖臼杯所產生的衝擊負荷也就愈小。
在股骨柄有加入接觸元素的接觸面上所產生的應力值不同於一般有限元素的計算結果其結果更為明顯。
In general, having used for some period, the gap between femoral head and the acetabular cup is increased and the gait analysis may loss its significance.
This research mainly focuses on the application of the finite element analysis with Hertz contact theorem and discusses the destruction situation of artificial hip joint between stem and acetabular cup under the gravity loads. The stem with bone cement and cortical bone contact one another and contact elements are applied. It includes the derivation of gravity loads due to separation of stem and acetabular cup and comparison of mechanical behaviors in the stem, the bone cement and the cortical shell with and without contact elements.
The results show that, the larger the separation between stem and acetabular cup is, the greater the impact load is and the nonlinear relation between them is present obviously. The larger the femoral head and acetabular cup are, the smaller the impact loads are.
The stresses generated on the contact surface of the stem are much different from those calculated from the general finite element results and more physically significant.
誌謝......................................................I
中文摘要.................................................II
英文摘要.................................................IV
目錄.....................................................IV
圖目錄..................................................VII
表目錄.................................................XVII
符號說明..............................................XVIII
第一章 緒論...............................................1
1.1前言...............................................1
1.2文獻回顧...........................................2
1.3研究目的...........................................5
第二章 基本理論..........................................7
2.1髖關節的構造.......................................7
2.2髖關節的運動方式..................................10
2.3人工髖關節置換術..................................13
2.4人工髖關節元件....................................14
2.5步態週期..........................................15
第三章 材料與方法........................................18
3.1研究方法與流程....................................18
3.2赫茲接觸理論......................................20
3.3步態週期數據......................................27
3.4模型的建立........................................30
3.5格式轉檔..........................................31
3.6有限元素分析......................................31
3.7材料性質設定......................................33
3.8模型網格的建立....................................33
3.9設定邊界條件......................................34
3.10無厚度之接觸元素.................................34
3.11 FEAST軟體.......................................35
3.12負載與分析.......................................35
第四章 結果與討論........................................37
4.1赫茲接觸理論力量與分離量結果......................37
4.1.1赫茲接觸理論運算.............................37
4.1.2髖臼杯與人工股骨頭之間的分離量所產生之負載...40
4.1.3不同直徑髖臼杯與人工股骨頭之間所產生之負載...42
4.1.4各種材質人工股骨頭對於負載的影響.............44
4.1.5各種直徑人工股骨頭與髖臼杯所產生之負載.......46
4.1.6將步態週期數據套入赫茲接觸理論...............48
4.2人工股骨柄的應力變化..............................49
4.3無厚度之接觸元素的應用............................60
4.4有接觸元素與無接觸元素之髖關節應力變化............62
4.4.1無接觸元素之人工股骨柄應力...................62
4.4.2有接觸元素之人工股骨柄應力...................65
4.4.3無接觸元素之骨水泥應力.......................70
4.4.4有接觸元素之骨水泥應力.......................73
4.4.5無接觸元素之皮質骨應力.......................78
4.4.6有接觸元素之皮質骨應力.......................81
4.5斷面應力大小......................................87
4.5.1人工股骨柄斷面應力大小.......................87
4.5.2骨水泥斷面應力大小...........................96
4.5.3皮質骨斷面應力大小..........................104
4.6 接觸元素上的正向應力............................113
第五章 結論與展望.......................................114
5.1結論.............................................114
5.2展望.............................................115
參考文獻................................................116
圖 目 錄
圖2-1髖關節構造圖........................................8
圖2-2髖骨構造............................................9
圖2-3股骨構造圖..........................................9
圖2-4杵臼關節...........................................10
圖2-5人體動作分析平面圖.................................12
圖2-6髖關節在矢狀面、冠狀面、橫狀面之運動...............13
圖2-7人工髖關節元件.....................................14
圖2-8步態週期...........................................17
圖3-1本研究流程圖.......................... ............19
圖3-2髖關節與髖臼杯接觸圖.................. ............20
圖3-3兩球體碰撞之運動狀態...............................22
圖3-2在時速2km時的步態週期圖...........................27
圖3-3在時速4km時的步態週期圖...........................28
圖3-4在時速6km時的步態週期圖...........................28
圖3-6-1人工髖關節.......................................31
圖3-6-2人工髖關節.......................................31
圖3-7有限元素分析流程圖.................................32
圖3-8-1 FEAST所繪出的人工股骨柄與骨水泥模型..............36
圖3-8-2 FEAST所繪出的皮質骨與髖關節模型..................36
圖4-1時間與力量的關係圖.................................40
圖4-2-1不同分離量下時間與力量的關係圖...................41
圖4-2-2分離量與最大力量的關係圖.........................41
圖4-3-1在分離量0.1mm不同髖臼杯直徑時間與力量的關係圖....43
圖4-3-2不同髖臼杯直徑與負載的關係圖.....................43
圖4-4-1不同人工股骨柄材質之時間與力量的關係圖...........45
圖4-4-2不同人工股骨柄材質楊式係數與負載的關係圖.........45
圖4-5-1不同直徑人工股骨頭之時間與力量的關係圖...........47
圖4-5-2不同直徑人工股骨頭與負載的關係圖.................47
圖4-6正常人行走速度為時速2(km/h)........................49
圖4-7分離量為0.8205mm時的負載..........................49
圖4-8人工股骨柄受力的應力圖形...........................50
圖4-9人工股骨柄身段面的位置.............................51
圖4-10自人工股骨柄身底端(斷面1)至頂端(斷面27)的特性變化曲線(a)傾斜角度(b)斷面積(c)重心位置(d)慣性矩...............51
圖4-11-1步態週期第1階段應力分佈........................52
圖4-11-2步態週期第2階段應力分佈........................52
圖4-11-3步態週期第3階段應力分佈........................53
圖4-11-4步態週期第4階段應力分佈........................53
圖4-11-5步態週期第5階段應力分佈........................54
圖4-11-6步態週期第6階段應力分佈........................54
圖4-11-7步態週期第7階段應力分佈........................55
圖4-11-8步態週期第8階段應力分佈........................55
圖4-11-9步態週期第9階段應力分佈........................56
圖4-11-10步態週期第10階段應力分佈......................56
圖4-11-11步態週期第11階段應力分佈......................57
圖4-11-12步態週期第12階段應力分佈......................57
圖4-11-13步態週期第13階段應力分佈......................58
圖4-11-14步態週期第14階段應力分佈......................58
圖4-11-15步態週期第15階段應力分佈......................59
圖4-11-16步態週期第16階段應力分佈......................59
圖4-12尚未去除的接觸元素外表............................61
圖4-13已完成的接觸元素圖形..............................61
圖4-14-1步態週期第1與第2階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................62
圖4-14-2步態週期第3與第4階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.... ..................................................62
圖4-14-3步態週期第5與第6階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖... ...................................................63
圖4-14-4步態週期第7與第8階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖... ...................................................63
圖4-14-5步態週期第9與第10階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................63
圖4-14-6步態週期第11與第12階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................64
圖4-14-7步態週期第13與第14階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................64
圖4-14-8步態週期第15與第16階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................64
圖4-15-1步態週期第1與第2階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................65
圖4-15-2步態週期第3與第4階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................65
圖4-15-3步態週期第5與第6階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................66
圖4-15-4步態週期第7與第8階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................66
圖4-15-5步態週期第9與第10階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................66
圖4-15-6步態週期第11與第12階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................67
圖4-15-7步態週期第13與第14階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................67
圖4-15-8步態週期第15與第16階段有接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................67
圖4-16步態週期第12階段無接觸元素的人工股骨柄應力圖.......................................................68
圖4-17步態週期第12階段有接觸元素人工股骨柄應力圖.......................................................68
圖4-18-1步態週期第1與第2階段無接觸元素的骨水泥應力圖...70
圖4-18-2步態週期第3與第4階段無接觸元素的骨水泥應力圖...70
圖4-18-3步態週期第5與第6階段無接觸元素的骨水泥應力圖...70
圖4-18-4步態週期第7與第8階段無接觸元素的骨水泥應力圖...71
圖4-18-5步態週期第9與第10階段無接觸元素的骨水泥應力圖..71
圖4-18-6步態週期13與12階段無接觸元素的骨水泥應圖.......................................................71
圖4-18-7步態週期第13與第14階段無接觸元素的骨水泥應力圖..
.........................................................72
圖4-18-8步態週期第15與第16階段無接觸元素的骨水泥應力圖..
.........................................................72
圖4-19-1步態週期第1與第2階段有接觸元素的骨水泥應力圖..73
圖4-19-2步態週期第3與第4階段有接觸元素的骨水泥應力圖..73
圖4-19-3步態週期第5與第6階段有接觸元素的骨水泥應力圖..73
圖4-19-4步態週期第7與第8階段有接觸元素的骨水泥應力圖.74圖4-19-5步態週期第9與第10階段有接觸元素的骨水泥應力圖.74圖4-19-6步態週期第11與第12階段有接觸元素的骨水泥應力圖.......................................................74
圖4-19-7步態週期第13與第14階段有接觸元素的骨水泥應力圖. 75
圖4-19-8步態週期第15與第16階段有接觸元素的骨水泥應力圖...
.........................................................75
圖4-20步態週期第12階段無接觸元素的骨水泥應力圖.........76
圖4-21步態週期第12階段有接觸元素的骨水泥應力圖.........76
圖4-22-1步態週期第1與第2階段無接觸元素的皮質骨應力圖..78
圖4-22-2步態週期第3與第4階段無接觸元素的皮質骨應力圖..78
圖4-22-3步態週期第5與第6階段無接觸元素的皮質骨應力圖..78
圖4-22-4步態週期第7與第8階段無接觸元素的皮質骨應力圖..79
圖4-22-5步態週期第9與第10階段無接觸元素的皮質骨應力圖.79
圖4-22-6步態週期第11與第12階段無接觸元素的皮質骨應力圖.......................................................79
圖4-22-7步態週期第13與第14階段無接觸元素的皮質骨應力圖...
.........................................................80
圖4-22-8步態週期第15與第16階段無接觸元素的皮質骨應力圖...
.........................................................80
圖4-23-1步態週期第1與第2階段有接觸元素的皮質骨應力圖...81
圖4-23-2步態週期第3與第4階段有接觸元素的皮質骨應力圖...81
圖4-23-3步態週期第5與第6階段有接觸元素的皮質骨應力圖...81
圖4-23-4步態週期第7與第8階段有接觸元素的皮質骨應力圖..82圖4-23-5步態週期第9與第10階段有接觸元素的皮質骨應力圖..82圖4-23-6步態週期第11與第12階段有接觸元素的皮質骨應力圖.......................................................82
圖4-23-7步態週期第13與第14階段有接觸元素的皮質骨應力圖.83
圖4-23-8步態週期第15與第16階段有接觸元素的皮質骨應力圖.83
圖4-24步態週期第12階段無接觸元素的皮質骨應力圖.........84
圖4-25步態週期第12階段有接觸元素的皮質骨應力圖.........84
圖4-26人工股骨柄、骨水泥、皮質骨每一斷面之應力曲線圖......86
圖4-27-1步態週期第1階段人工股骨柄斷面應力值.............87
圖4-27-2步態週期第2階段人工股骨柄斷面應力值.............88
圖4-27-3步態週期第3階段人工股骨柄斷面應力值.............88
圖4-27-4步態週期第4階段人工股骨柄斷面應力值.............89
圖4-27-5步態週期第5階段人工股骨柄斷面應力值.............89
圖4-27-6步態週期第6階段人工股骨柄斷面應力值.............90
圖4-27-7步態週期第7階段人工股骨柄斷面應力值.............90
圖4-27-8步態週期第8階段人工股骨柄斷面應力值.............91
圖4-27-9步態週期第9階段人工股骨柄斷面應力值.............91
圖4-27-10步態週期第10階段人工股骨柄斷面應力值...........92
圖4-27-11步態週期第11階段人工股骨柄斷面應力值...........92
圖4-27-12步態週期第12階段人工股骨柄斷面應力值...........93
圖4-27-13步態週期第13階段人工股骨柄斷面應力值...........93
圖4-27-14步態週期第14階段人工股骨柄斷面應力值...........94
圖4-27-15步態週期第15階段人工股骨柄斷面應力值...........94
圖4-27-16步態週期第16階段人工股骨柄斷面應力值...........95
圖4-28-1步態週期第1階段骨水泥斷面應力值................96
圖4-28-2步態週期第2階段骨水泥斷面應力值................96
圖4-28-3步態週期第3階段骨水泥斷面應力值................97
圖4-28-4步態週期第4階段骨水泥斷面應力值................97
圖4-28-5步態週期第5階段骨水泥斷面應力值................98
圖4-28-6步態週期第6階段骨水泥斷面應力值................98
圖4-28-7步態週期第7階段骨水泥斷面應力值................99
圖4-28-8步態週期第8階段骨水泥斷面應力值................99
圖4-28-9步態週期第9階段骨水泥斷面應力值...............100
圖4-28-10步態週期第10階段骨水泥斷面應力值.............100
圖4-28-11步態週期第11階段骨水泥斷面應力值.............101
圖4-28-12步態週期第12階段骨水泥斷面應力值.............101
圖4-28-13步態週期第13階段骨水泥斷面應力值.............102
圖4-28-14步態週期第14階段骨水泥斷面應力值.............102
圖4-28-15步態週期第15階段骨水泥斷面應力值.............103
圖4-28-16步態週期第16階段骨水泥斷面應力值.............103
圖4-29-1步態週期第1階段皮質骨斷面應力值...............104
圖4-29-2步態週期第2階段皮質骨斷面應力值...............105
圖4-29-3步態週期第3階段皮質骨斷面應力值...............105
圖4-29-4步態週期第4階段皮質骨斷面應力值...............106
圖4-29-5步態週期第5階段皮質骨斷面應力值...............106
圖4-29-6步態週期第6階段皮質骨斷面應力值...............107
圖4-29-7步態週期第7階段皮質骨斷面應力值...............107
圖4-29-8步態週期第8階段皮質骨斷面應力值...............108
圖4-29-9步態週期第9階段皮質骨斷面應力值...............108
圖4-29-10步態週期第10階段皮質骨斷面應力值.............109
圖4-29-11步態週期第11階段皮質骨斷面應力值.............109
圖4-29-12步態週期第12階段皮質骨斷面應力值.............110
圖4-29-13步態週期第13階段皮質骨斷面應力值.............110
圖4-29-14步態週期第14階段皮質骨斷面應力值.............111
圖4-29-15步態週期第15階段皮質骨斷面應力值.............111
圖4-29-16步態週期第16階段皮質骨斷面應力值.............112
圖4-30人工股骨柄斷面上的正向應力值.....................113






表 目 錄
表3-1 A與B的關係式.....................................21
表3-2 A/B與 的關係....................................22
表3-3將時速2 km時步態週期分成16階段....................29
表3-4材料性質...........................................33
表4-1在不同分離量負載的大小.............................42
表4-2在分離量0.1mm下不同的髖臼杯其負載的大小............44
表4-3不同材質人工股骨柄的負載...........................46
表4-4不同直徑人工股骨頭與負載...........................48
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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