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一体化钛基人工颈椎间盘的设计及力学行为研究

作　者: 高亚军
导　师: 汪涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 颈椎病颈椎间盘假体生物力学有限元模拟疲劳试验夹具疲劳试验
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

人工颈椎间盘置换术为颈椎病的治疗提供了新的方法。针对现有人工颈椎间盘抗疲劳性能差、结构复杂、手术繁琐、术后易发生并发症等缺点，本论文研究设计出新型的一体化人工颈椎间盘假体以及适用于该假体疲劳试验的专用试验夹具，并对假体生物力学性能及疲劳性能进行模拟分析研究。按照设计构思，确定新型的一体化人工颈椎间盘假体的结构特征并采用SolidWorks软件建模。然后在ANSYS软件中建立植入后端厚度为0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm以及齿形为人字形和菱形的一体化人工颈椎间盘后的C5-C6单节段有限元模型。赋予假体β型钛合金、TC4钛合金和纯钛的材料属性，在前屈、后伸以及侧屈载荷下进行模拟。分析表明，后端厚度为0.6mm、材料为纯钛的假体在前屈载荷下的最大等效应力超过纯钛的屈服强度，其他几种假体三种载荷下均未超过选用材料的屈服强度。三种载荷下后端厚度为0.8mm、假体材料为β型钛合金的具有人字形齿结构的人工颈椎间盘假体最大的等效应力为383.264MPa，节段活动度为2.506o、3.232o和1.194o；前屈和侧屈载荷下的活动度接近正常颈椎的50%，而后伸载荷下活动度会达到正常颈椎的90%。通过对不同类型假体的最大等效应力和节段活动度的分析比较表明，后端厚度为0.8mm、假体材料为β型钛合金的具有人字形齿结构的人工颈椎间盘假体能极大的恢复颈椎节段的运动功能，该假体结构和选材为最佳设计方案。针对一体化人工颈椎间盘假体的结构特征，设计了适用于颈椎间盘假体疲劳试验的专用试验夹具，建立带假体的疲劳试验夹具有限元模型，并进行模拟分析。结果表明，该疲劳试验专用夹具能逼真地模拟人体正常颈椎的生物力学特征，通过调节有限元模型的加载载荷，可使人工颈椎间盘假体应力水平与假体植入椎间隙后的应力结果等效。采用ANSYS/FE-SAFE软件对各种不同类型颈椎间盘假体进行疲劳模拟分析得出，后端厚度为0.8mm的纯钛假体的疲劳寿命为2132万次，而后端厚度为1.0mm以上的纯钛假体以及后端厚度为0.8mm以上的β型和TC4钛合金假体疲劳寿命均超过八千万次，符合人工颈椎间盘设计指标要求。还发现，假体的最大疲劳累积损伤均发生在假体后端内侧。根据以专用疲劳试验夹具实体装夹的假体疲劳试验结果，后端厚度为0.8mm的纯钛假体的疲劳断裂寿命实测为3564.5万次；后端厚度为1.0mm的纯钛假体以及后端厚度为0.8mm的β型和TC4钛合金假体在经历八千万次循环后均未发生疲劳断裂，该疲劳试验结果与疲劳数值模拟结果吻合度高。最后对颈椎间盘假体疲劳断口进行了形貌分析，发现假体疲劳裂纹均在假体后端内侧萌生，并快速扩展至外侧，导致假体疲劳失效，这与疲劳数值模拟发现的假体最大疲劳累积损伤均发生在假体后端内侧的结果吻合。综合上述可知，后端厚度为0.8mm的β型钛合金一体式人工颈椎间盘假体能够极大地恢复节段运动功能并满足经历八千万次循环不发生疲劳破坏的设计要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-33
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 人工颈椎间盘研究现状  15-25
    1.2.1 人工颈椎间盘假体的设计及测试方法  15-19
    1.2.2 现有人工颈椎间盘假体的特点及应用  19-22
    1.2.3 人工颈椎间盘假体的选材  22-24
    1.2.4 现有人工颈椎间盘假体特点总结  24-25
  1.3 有限元法在人工颈椎间盘研究中的应用  25-31
    1.3.1 有限元法  25-26
    1.3.2 有限元分析的基本理论  26-30
    1.3.3 有限元法在人工颈椎间盘研究中的应用  30-31
  1.4 论文的研究目的及研究内容  31-33
第二章研究方法及研究方案  33-43
  2.1 涉及软件简介  33-36
    2.1.1 SolidWorks 软件  33-34
    2.1.2 ANSYS 有限元分析软件  34-35
    2.1.3 ANSYS/FE-SAFE 高级结构疲劳分析软件  35-36
  2.2 模拟分析方法  36-40
    2.2.1 ANSYS 求解非线性问题的过程和步骤  36-37
    2.2.2 颈椎 C5-C6 单节段有限元模拟分析方法  37-38
    2.2.3 疲劳试验夹具的设计与仿真分析方法  38
    2.2.4 疲劳模拟分析方法  38-40
  2.3 材料及设备  40-41
  2.4 研究方案  41-43
第三章一体化人工颈椎间盘的设计及有限元模拟分析  43-61
  3.1 一体化人工颈椎间盘假体的设计  43-46
    3.1.1 人工颈椎间盘假体设计目的与构思  43
    3.1.2 人工颈椎间盘假体设计步骤  43
    3.1.3 人工颈椎间盘假体设计方案  43-46
    3.1.4 人工颈椎间盘假体的规格和尺寸  46
  3.2 有限元模拟分析过程  46-49
  3.3 有限元分析结果与讨论  49-59
    3.3.1 前屈载荷下有限元模拟计算结果  49-52
    3.3.2 后伸和侧屈载荷下有限元模拟计算结果  52-54
    3.3.3 不同规格、选材、设计方案的人工颈椎间盘的模拟分析  54-59
  3.4 本章小结  59-61
第四章疲劳试验夹具的设计及模拟分析  61-73
  4.1 人工颈椎间盘疲劳试验夹具的设计  61-63
  4.2 疲劳试验夹具的模拟分析与讨论  63-67
    4.2.1 疲劳试验夹具的模拟分析过程  63-65
    4.2.2 疲劳试验夹具的模拟分析结果与分析  65-67
  4.3 疲劳试验夹具的实体加工  67-68
  4.4 人工颈椎间盘假体的实体加工  68-72
    4.4.1 人工颈椎间盘假体材料的性能  68-71
    4.4.2 无齿人工颈椎间盘假体及夹具的实体加工  71-72
  4.5 本章小结  72-73
第五章疲劳模拟分析及试验验证  73-81
  5.1 疲劳模拟分析  73-76
    5.1.1 疲劳模拟过程  73-74
    5.1.2 疲劳模拟结果  74-76
  5.2 疲劳试验验证  76-80
    5.2.1 疲劳实验方法  76-77
    5.2.2 疲劳实验结果及分析  77-79
    5.2.3 疲劳断口形貌分析  79-80
  5.3 本章小结  80-81
第六章总结与展望  81-83
  6.1 结论  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-89
致谢  89-90
在学期间的研究成果及发表的学术论文  90-91
附录  91-95

一体化钛基人工颈椎间盘的设计及力学行为研究

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