有限元分析案例：肘关节力学特性研究

一 、设备及软件

1.1 计算机工作站

1）全身X射线计算机断层扫描系统（CT，LightSpeed VCT 64排）

2）计算机：基本配置：AMD3700X，内存32G，1T固态硬盘，操作系统 Windows10

1.2 生物力学处理软件

1）Mimics 21.0三维重建软件（比利时Materialise公司）

2）GeomagicWrap2017逆向工程处理软件(美国 Raindrop公司 )

3）Solidworks2017CAD软件（法国Dassault Systemes公司）

4）ANSYS 17.0有限元分析软件（美国ANSYS公司）

二、模型

骨头模型准备：

分别建立肱骨、尺骨、桡骨模型。将基于CT数据的肱骨、尺骨和桡骨模型与基于CT数据的肱骨软骨、尺骨软骨和桡骨软骨模型进行配准，最终建立所需肱骨软骨、尺骨软骨和桡骨软骨模型。

有稳定器的肘关节模型准备：

在SolidWorks软件里进一步处理肘关节模型，调整好肘关节和肘关节稳定器的准确的位置，进行装配固定。

三、分析过程

设置条件：设定皮质骨、韧带及软骨的杨氏模量分别为17 000，48，15 MPa，泊松比分别为0.3，0.3，0.46 μ。采用四面体单元(Solid185)，分别进行有限元网格划分，以杆单元建立肘关节内侧副韧带和外侧副韧带模型。

为了方便数据分析，以无稳定器的肘关节与有稳定器(一种内植入式解剖型肘关节稳定器)的肘关节为研究对象，模拟肘关节错位时（由损伤或松解手术导致的肘关节不稳定）固定与否的不同工况，对每种工况分别施加载荷条件进行肘关节稳定性分析。

加载应力及分析边界条件 ：将肱骨、尺骨、桡骨、肱骨软骨、尺骨软骨和桡骨软骨的四面体有限元网格模型文件及肘关节内侧副韧带和外侧副韧带模型文件导入Ansys软件(Version

17.0，Ansys，美国)，赋予边界条件并加载。将肱骨、尺骨、桡骨、肱骨软骨、尺骨软骨和桡骨软骨均假设为连续、均质及各向同性的线弹性材料。将尺骨和桡骨的远端进行三向平移和三向旋转约束。

加载应力 ：实验采用的加载应力方式为沿肱骨纵轴轴向加压，力的作用点位于整个肘关节模型的形状中心。加载应力的大小设定为100 N，这近似于提拉质量10 kg物体的受力状态。实验中忽略了肘关节肌肉韧带力，关节软骨等介质的摩擦力及动力冲击等，分析模型关节面各部分的应力分布情况和位移情况。

分析方法 ：通过给予肱骨纵轴轴向作用力后，分析不同固定方式的肘关节模型的稳定性。

主要观察指标 应力加载后不同肘关节模型尺骨关节面的接触应力及位移分布变化。

四、分析结果

关节面接触应力分析 沿肱骨纵轴轴向加压，加载应力的大小设定为100 N，对加载后的模型进行应力分析，得到各模型的应力分布情况。

关节面接触位移变化 在肘关节模型、带稳定器的肘关节模型，内侧副韧带模型上分别施加100 N的应力，得到有限元模型关节面的位移变化云图。

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