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研究生:許皓鈞
研究生(外文):HSU HAO-CHUN
論文名稱:鎳鈦記憶合金彈性髓內釘之性能評估
論文名稱(外文):The Performance Evaluation of Nitinol Flexible Intramedullary Nailing
指導教授:方亮彬
學位類別:碩士
校院名稱:建國科技大學
系所名稱:機械工程系暨製造科技研究所
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:小兒骨折四點彎曲實驗有限元素分析彈性髓內釘鎳鈦記憶合金
外文關鍵詞:Pediatric FracturesFour-point bending testFinite element analysisFlexible intramedullary nailShape memory alloy
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摘 要
本文利用生物力學實驗及有限元素分析法,評估鎳鈦記憶合金作為彈性髓內釘材料的可行性。由於鎳鈦記憶合金具有形狀記憶的特性,在低溫環境下能輕易的塑型,在高溫環境中又能回復原記憶形狀,因此鎳鈦記憶合金能依其特性,廣泛應用於各種領域。以彈性髓內釘治療小兒長骨骨折,已被證實具有不錯療效,有鑑於此本文將依據鎳鈦記憶合金在冰生理食鹽水中具有良好的可塑性,而在人體體溫的作用下能回復原本的記憶形狀的特性,考慮以其作為彈性髓內釘,治療小兒長骨骨折問題。
在生物力學實驗方面採用四點彎曲實驗,以大小與小兒腿骨相仿的羔羊脛骨,植入不銹鋼、鈦合金、鎳鈦記憶合金等不同材料之彈性髓內釘,其中鎳鈦記憶合金還包括大彎(原型)、小彎(改良型)兩種不同形狀,進行側向支撐能力的評估,再以有限元素分析觀察不易由實驗量得之相關物理量。
由本研究的實驗結果發現,將鎳鈦記憶合金增加約1/3的線徑後,具有較不銹鋼及鈦合金彈性髓內釘高的側向支撐能力,對鎳鈦記憶合金彈性髓內釘而言,大彎及小彎兩種不同形狀的彈性髓內釘,具有相當的側向支撐能力,而有限元素分析法所獲得的結果,小彎彈性髓內釘有較高的側向支撐能力,但易有應力集中的現象,而大彎彈性髓內釘的應力分佈情形則較為均勻,由實驗及模擬結果顯示,鎳鈦記憶合金是良好的彈性髓內釘材料。

Abstract

In this paper, biomechanical experiments and finite element analysis were used to assess the performance of nitinol flexible intramedullary nail. Owing to the characteristics of shape memory that the nitinol material can be shaped at low temperature and restored its original shape at high temperature, the material was applied widely in various fields. It was showed that the nitinol flexible intramedullary nail had good curative effects for the treatment of children with long bone fracture. Therefore, the main theme of this paper was to assess the performance of the nail.
The experiment in this paper was carried out with four-point bending test for the implanted nails with three different material, stainless steel, titanium and nitinol. The finite element analysis was used not only to compared with the experimental results, but also to calculate other physical quantities not easily being taken by experiment.
It was showed that the nitinol nail with diameter 1/3 as much again as the others was most strength under bending. The nitinol nail with smaller curves having stress concentration near the central part of the nail.

Keywords: Pediatric Fractures、Four-point bending test、Finite element analysis、Flexible intramedullary nail、Shape memory alloy

目 錄
摘要………………………………………………………………I
Abstract………………………….……………………………………..III
誌謝……………………………………………………………………IV
表目錄………………………………………………………………...VIII
圖目錄……………………………………………………………...…IX
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1前言……………………………………………………….1
1.2脛骨解剖學構造………………………………………….3
1.3彈性髓內釘簡介…………………………………………4
1.4記憶合金簡介……………………………………………6
1.5文獻回顧………………………………………………….9
1.6研究動機與目的………………………………………….11
第二章 彈性髓內釘生物力學實驗……………………………………14
2.1彈性髓內釘力學實驗簡介………………………………14
2.2.實驗試片…………………………………………………14
2.2.1試片幾何尺寸……………………………………………15
2.2.2試片準備…………………………………………………17
2.3實驗設備………………………………………………….17
2.3.1材料試驗機………………………………………………17
2.3.2四點彎曲實驗座…………………………………………18
2.4四點彎曲實驗步驟……………………………………….20
第三章 彈性髓內釘有限元素分析…………………………………23
3.1有限元素分析簡介………………………………………23
3.2彈性髓內釘有限元素模型建立…………………………25
3.2.1脛骨模型…………………………………………………25
3.2.2彈性髓內釘模型…………………………………………27
3.2.3 實驗座模型……………………………………………..28
3.2.4組合件模型………………………………………………29
3.3有限元素分析材料設定…………………………………32
3.4邊界條件設定……………………………………………33
3.5網格建立…………………………………………………35
第四章 結果與討論……………………………………………………39
4.1生物力學實驗結果…….......................................................39
4.1.1各組試片實驗數據………………………………………39
4.1.2生物力學實驗統計結果討論……………………………45
4.2有限元素分析結果………………………………………49
4.2.1不同材質分析結果………………………………………49
4.2.2作用力量測點……………………………………………54
4.2.3有限元素分析結果討論…………………………………54
第五章 結論及未來展望………………………………………………57
5.1結論………………………………………………………57
5.2未來展望…………………………………………………58
參考文獻………………………………………………………………59


參考文獻
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