基于有限元分析的Mg-Zn-Y-Nd合金骨螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、生物鎂合金具有可降解性、優(yōu)異的生物相容性和生物安全性，是較有發(fā)展?jié)摿Φ墓锹葆斨苽洳牧?。與傳統(tǒng)的不可降解金屬骨螺釘相比，生物鎂合金骨螺釘強(qiáng)度較低，且應(yīng)力集中會(huì)影響其降解速度，因此原來不可降解螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)不適用于生物鎂合金，需要對(duì)生物鎂合金骨螺釘進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以更好地滿足臨床使用性能要求。目前，國(guó)內(nèi)外該方面的研究尚鮮見于報(bào)道。
　　本文針對(duì)可降解生物鎂合金骨螺釘?shù)牧W(xué)強(qiáng)度不足，局部應(yīng)力集中加速腐蝕速度等問題，參考鈦合金、不銹鋼材料醫(yī)藥行

2、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立股骨骨螺釘三維結(jié)構(gòu)模型，采用仿真分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能的有限元分析，包括螺釘三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和軸向拔出實(shí)驗(yàn)的模擬，得到應(yīng)力應(yīng)變、總變形分布及結(jié)果。首先改變骨螺釘結(jié)構(gòu)特征，包括螺紋形狀和是否空心結(jié)構(gòu)，并對(duì)改變前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能的對(duì)比；其次分別改變螺距、內(nèi)徑和牙型角等骨螺釘結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，建立不同參數(shù)的模型，以力學(xué)性能模擬結(jié)果為目標(biāo)函數(shù)，探究各個(gè)尺寸參數(shù)對(duì)三點(diǎn)彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向拔出性能的影響規(guī)律及結(jié)果；最后在模

3、擬計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)對(duì)多方面因素耦合作用進(jìn)行分析，確定最優(yōu)螺釘尺寸參數(shù)并進(jìn)行加工，進(jìn)而對(duì)真實(shí)螺釘?shù)膶?shí)際力學(xué)性能進(jìn)行表征，校核模擬結(jié)果。
　　研究結(jié)果表明：不對(duì)稱螺紋骨螺釘防脫出，且應(yīng)力集中程度降低；彎曲、扭轉(zhuǎn)性能模擬結(jié)果表明骨螺釘中心部分應(yīng)力較小，因此實(shí)心與空心直徑1 mm的骨螺釘力學(xué)性能對(duì)比無明顯差別。內(nèi)徑的增加對(duì)彎曲、扭轉(zhuǎn)承載能力有一定程度的提升，但會(huì)降低骨質(zhì)與螺紋的咬合力；螺距對(duì)骨螺釘力學(xué)性能的影響沒有明顯規(guī)律；

4、牙型角的增加對(duì)螺釘承載能力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。通過正交試驗(yàn)極差分析得到各參數(shù)對(duì)彎曲載荷的影響排序從大到小是內(nèi)徑、螺距、牙型角β和牙型角α；對(duì)扭矩影響排序是內(nèi)徑、螺距、牙型角α和牙型角β；對(duì)軸向拔出力影響排序是螺距、內(nèi)徑、牙型角β和牙型角α。綜合單因素變量分析結(jié)果和極差分析，選擇骨螺釘螺距1.45 mm、內(nèi)徑3.2 mm、牙型角α為2°、牙型角β為35°為最優(yōu)組參數(shù)。骨螺釘力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元分析的正確性，優(yōu)化后比