骨折复位内固定器结构及应用研究

论文摘要

本文以新型具有内涨式自锁作用的骨折复位内固定器IS型髓内针为研究对象,在充分研究骨折固定的各种方法和国内外研究现状基础上,提出基于有限元方法进行髓内针结构及其应用研究框架。通过建立髓内针和股骨的三维模型和有限元本构模型,并将骨骼模型与髓内针模型进行组合装配,运用有限元方法分析这种内固定器具体应用时的性能。研究首先建立股骨三维有限元模型。本文采用基于CT图像进行骨组织三维重建模型的方法。将股骨的CT断层扫描图像导入三维重建软件中,建立受损组织的三维实体几何模型,通过网格划分功能进一步将三维实体模型进行面网格的划分。将划分好的面网格以与有限元分析相匹配的格式输出,在有限元分析软件中,将面网格转化为体网格后输出体网格文件。通过赋予三维模型的材质,从而可以得到较为准确的三维物理模型。其次分析了IS型髓内针的主要特性。此髓内针的一大特点是采用了Ni-Ti形状记忆合金为材料,由于其热恢复特性,使得内固定器结构简单,很大程度上减轻病人的痛苦。并且从物理特性、抗腐蚀性、生物相容性等几方面详细分析了形状记忆合金的材料特性和形状记忆效应,分析了其作为内固定器材料的优势。最后简要分析了髓内针的生物力学性能。最后,运用有限元方法分析了IS型髓内针的力学性能。分析了形状记忆合金这种特殊材料的本构模型,在此基础上建立起有限元模型,详细介绍了模型的理论求解方法。借助有限元分析软件Abaqus 6.7,分析了股骨与髓内针组合后的模型,和髓内针模型的力学性能——在加载条件下的应力与应变曲线。分析结果表明,髓内针的结构及材料特性可以较好地达到设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及研究方案
• 第二章 股骨的三维有限元模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 三维建模方法
• 2.2.1 磨片、切片法
• 2.2.2 三维测量法
• 2.2.3 CT扫描建模法
• 2.3 Mimies10.01介绍
• 2.4 建立股骨三维模型
• 2.4.1 CT断层扫描和数字化图像处理
• 2.4.2 三维模型重建
• 2.4.3 面网格划分
• 2.4.4 体网格划分
• 2.4.5 材料模型匹配
• 2.5 本章小结
• 第三章 IS型髓内针的结构与性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 IS型髓内针机械结构设计
• 3.3 IS型髓内针材料特性分析
• 3.3.1 形状记忆合金基本原理
• 3.3.2 Ni-Ti形状记忆合金的主要特性
• 3.3.3 IS髓内针的主要性能参数
• 3.4 IS型髓内针的生物力学设计
• 3.4.1 惯矩
• 3.4.2 强度
• 3.4.3 硬度
• 3.4.4 弯曲刚度
• 3.4.5 转矩
• 3.5 小结
• 第四章 骨折内固定有限元仿真
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析的基本理论
• 4.2.1 形状记忆合金的本构方程
• 4.2.2 有限元模型的建立与求解
• 4.3 有限元建模及分析
• 4.3.1 股骨与髓内钉复合模型的建立
• 4.3.2 有限元单元类型及划分
• 4.3.3 施加约束与载荷
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 压缩载荷
• 4.4.2 扭转载荷
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文结论
• 5.1 结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢