建立陶瓷髖關節(jié)假體系統(tǒng)有限元模型,采用ABAQUS復特征值分析法對陶瓷髖關節(jié)假體系統(tǒng)可能出現(xiàn)的摩擦噪聲問題進行分析,并探討了系統(tǒng)參數(shù)和振動噪聲之間的關系。研究結果表明,髖臼子系統(tǒng)和球頭子系統(tǒng)均有可能是摩擦噪聲的主要聲源。摩擦因數(shù)增大導致髖關節(jié)系統(tǒng)發(fā)生模態(tài)耦合,從而增強系統(tǒng)的振動強度和噪聲產生傾向。髖關節(jié)系統(tǒng)摩擦噪聲主要出現(xiàn)在其繞X軸和Y軸轉動,但是兩種狀態(tài)產生振動的振型模態(tài)有所區(qū)別。通過對速度和系統(tǒng)摩擦振動噪聲的關系研究后發(fā)現(xiàn),髖關節(jié)異響問題往往出現(xiàn)在速度較低的時候,當速度大于一定臨界值時,系統(tǒng)保持穩(wěn)定。此外,當載荷越大時,摩擦界面形成應力集中和能量堆積,導致系統(tǒng)產生更多頻率的不穩(wěn)定振動,且振動強度和傾向增大。合理地選擇球頭直徑,對改善髖關節(jié)摩擦噪聲有積極的效果。文中當球頭直徑為36 mm時髖關節(jié)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),沒有摩擦振動噪聲產生。另外,通過降低股骨柄彈性模量,使其等于股骨彈性模量后,能夠顯著改善系統(tǒng)振動噪聲傾向,降低振動強度,這對改善摩擦噪聲問題有積極作用。

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【部分圖文】：

圖1三維人工髖關節(jié)模型及其約束條件

(2）約束條件。髖關節(jié)系統(tǒng)的邊界條件設為骨架A邊緣和骨架B邊緣完全固定。定義陶瓷球頭和陶瓷襯墊之間的接觸算法為切向罰函數(shù)算法結合小滑移算法。定義摩擦模型為庫侖摩擦。人工髖關節(jié)模型的材料參數(shù)和網格特性如表1所示。

圖2髖臼子系統(tǒng)自然頻率和模態(tài)

考慮到髖關節(jié)系統(tǒng)在摩擦運動過程中，當摩擦力的激勵和系統(tǒng)的固有頻率非常接近時，系統(tǒng)有可能因此產生共振，并對外發(fā)射出一定頻率的噪聲。因此，本部分對兩個子系統(tǒng)在約束狀態(tài)下的固有頻率和模態(tài)進行分析，以判斷不同噪聲頻率下可能的系統(tǒng)聲源，結果如圖2、圖3所示�？梢娫�10000Hz頻率范圍....

圖3球頭子系統(tǒng)自然頻率和模態(tài)

圖2髖臼子系統(tǒng)自然頻率和模態(tài)2.2摩擦激勵下振動特性分析

圖4髖關節(jié)摩擦系統(tǒng)阻尼比隨摩擦因數(shù)的變化情況

進一步地，采用復特征值分析法來研究人工髖關節(jié)系統(tǒng)在摩擦過程中的振動特性，基于模態(tài)耦合理論判斷系統(tǒng)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定振動頻率和對應的模態(tài)振型�？紤]到髖關節(jié)系統(tǒng)在患者運動過程中，沿X方向的轉動這個動作發(fā)生最為頻繁，因此設置球頭子系統(tǒng)以1rad/s的速度繞X軸轉動。圖4表示為髖關節(jié)摩擦....

本文編號：3943406