基于并行拓扑优化的假体股骨柄设计

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作   者：

朱大昌;  吴龙飞;  萧仲敏;  黄鹏程;  徐汉斌; 

作者机构：

广州大学机械与电气工程学院; 

关键词：

有限元分析;  拓扑优化;  可靠性;  股骨柄结构; 

期刊名称：

机械强度

i s s n：

1001-9669

年卷期：

2024 年 46 卷 005 期

页   码：

1143-1151

摘   要：

与股骨接触的假体柄是人工髋关节的主要部件,在全髋置换手术中起着重要作用.采用变密度固体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)拓扑优化方法和多尺度的并行拓扑优化方法,分别得到A型和B型两种股骨柄结构,并将股骨柄结构柔度变化幅度作为对比指标,比较了两种股骨柄对载荷方向变化的敏感度.利用有限元方法对A型股骨柄和B型股骨柄进行多工况下所对应股骨的应力分析.研究结果表明,在3 种工况下,A型股骨柄和B型股骨柄对股骨的平均应力分别为 14.80、22.55、16.94 MPa和 10.89、20.92、16.50 MPa.对B型股骨柄进行压力加载试验,试验结果表明,在内侧测点,试验的应变值与仿真值的平均误差为-1 682 με,平均相对误差为20.3%;在外侧测点,试验的应变值与仿真值的平均误差为1 281 με,平均相对误差为19.5%.该方法为股骨假体柄结构的可靠性设计提供了有效参考.