陶瓷髋关节假体系统摩擦噪声问题的有限元分析

摘要

建立陶瓷髋关节假体系统有限元模型,采用ABAQUS复特征值分析法对陶瓷髋关节假体系统可能出现的摩擦噪声问题进行分析,并探讨了系统参数和振动噪声之间的关系。研究结果表明,髋臼子系统和球头子系统均有可能是摩擦噪声的主要声源。摩擦因数增大导致髋关节系统发生模态耦合,从而增强系统的振动强度和噪声产生倾向。髋关节系统摩擦噪声主要出现在其绕X轴和Y轴转动,但是两种状态产生振动的振型模态有所区别。通过对速度和系统摩擦振动噪声的关系研究后发现,髋关节异响问题往往出现在速度较低的时候,当速度大于一定临界值时,系统保持稳定。此外,当载荷越大时,摩擦界面形成应力集中和能量堆积,导致系统产生更多频率的不稳定振动,且振动强度和倾向增大。合理地选择球头直径,对改善髋关节摩擦噪声有积极的效果。文中当球头直径为36 mm时髋关节系统处于稳定状态,没有摩擦振动噪声产生。另外,通过降低股骨柄弹性模量,使其等于股骨弹性模量后,能够显著改善系统振动噪声倾向,降低振动强度,这对改善摩擦噪声问题有积极作用。