МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛОКИРУЕМЫХ ШТИФТОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Введение. Внедрение и использование новых типов ортопедических конструкций предполагает решение сложных биомеханических, биофизических, технологических проблем. В настоящей статье рассматривается математическая модель штифта, описанная с помощью метода конечных элементов, и имитация явлений, происходящих в этой системе с течением времени.

Материалы и методы. На первом этапе определяем и выполняем геометрию 3D модели. В зависимости от выбора геометрии проводим построение модели. На втором этапе необходимо определить форму и размеры конечных элементов для наложения на модель расчетной сетки. На этапе задания механических и прочностных свойств указываются состав материала, его плотность, модуль упругости, температура системы во время эксперимента. Для реализации геометрической модели были выбраны два вида штифтов: исследуемый эластичный блокируемый штифт (образец 1) и блокируемый интрамедуллярный стержень фирмы ChM (образец 2). Разбиение сетки проводили стандартной процедурой, встроенной в программный пакет SolidWorks.

Результат. Минимальное значение напряжения в образце 1 в 2200 раз меньше, чем в образце 2. Максимальное значение напряжения в образце 1 в 14 раз меньше по сравнению со значением в образце 2. В образце 2, при аналогичном сравнении, получаем максимальное напряжение в 3,2 раза меньшее предела текучести. Таким образом, образец 1 обладает значительным запасом прочности, что позволяет использовать его при больших нагрузках и, соответственно, применять для пациентов с большей массой тела.

В образце 1 верхняя часть испытывает минимальные напряжения, а нижние составные части нагружены немного больше, однако распределение напряжение по всей их длине равномерное и на порядок ниже, чем в образце 2. Максимальное напряжение приходится на нижнюю часть в месте крепления штифта блокирующим винтом. Такое распределение напряжений и их невысокие значения, по нашему мнению, связаны с особенностью составной конструкции образца 1.

Заключение. Эластичный блокирующий штифт обладает повышенными прочностными и эксплуатационными характеристиками по сравнению со стержнем фирмы ChМ.

Ключевые слова: модель штифта, математическое моделирование, напряжение, блокируемый штифт. 

Ернар Н. Токтаров 1, http://orcid.org//0000-0002-5166-243X

Марат А. Жанаспаев 1, https://orcid.org//0000-0002-0610-0112

Айдос С. Тлемисов 1, http://orcid.org//0000-0002-4239-6627

Нурлан А. Бокембаев 1, http://orcid.org//0000-0003-4140-1831

Людмила А. Ерыгина 2, http://orcid.org//0000-0002-6126-1381

Аян О. Мысаев 1, http://orcid.org//0000-0001-7332-4856

1 Государственный медицинский университет города Семей,

г. Семей, Республика Казахстан.

2 Национальный ядерный центр Республики Казахстан,

г. Курчатов, Республика Казахстан.

Литература:

1. Аверилл М. Лоу, В.Дэвид Кельтон Имитационное моделирование – СS. 3-е издание.– СПб.: Питер. 2004. 847 с.

2. Алямовский А.А. Инженерный анализ методом конечных элементов.– М.: SolidWorks/COSMOSWorks. ДМК Пресс, 2004. 432 с.

3. Берлин А.А., Балабаев Н.К. Имитация свойств твердых и жидких тел методами компьютерного моделирования // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 11. С. 85-92.

4. Бушманов А.В., Еремин Е.Л. Методика имитационного моделирования механического поведения фиксирующих устройств в травматологии // Вестник ТОГУ. 2009. № 4 (15). С. 61-70.

5. Верховодов А.Ю., Иванов Д.В. Применение метода конечных элементов для сравнительной оценки стабильности остеосинтеза оскольчатых диафизарных переломов костей голени блокируемыми интрамедуллярными стержнями и аппаратами наружной фиксации // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. http://science-education.ru/ru/article/view?id=6905

6. Жанаспаев М.А., Мысаев А.О., Бахтыбаев Д.Т., Зейнеев Р.Т., Сурков С.В., Токтаров Е.Н. Евразийский патент на изобретение №020632 «Эластичный штифт для блокирующего остеосинтеза перелома длинной трубчатой кости» от 30.12.2014 г.

7. Князева А.Г. Теплофизические основы современных методов металлообработки: пособие для подготовки курсовых проектов по курсу лекций portal.tpu.ru:7777/SHARED/a/AGKNYAZEVA/predmet/Tab2/posobie.pdf

8. Левадный Е.В., Дзюба А.П. Конечноэлементное моделирование состояния бедренной кости при переломах проксимального отдела, фиксируемого различными конструкциями // Проблеми обчислювальноi механіки і міцності конструкцій. 2014. Вып. 23. С. 85-95.

9. Марченко В.М., Можей Н.П., Шинкевич Е.А. Эконометрика и экономико-математические методы и модели. В 2 ч. Ч. 2. Учеб. пособие для студентов учреждений высшего образования по экономическим специальностям.– Минск: БГТУ, 2012.– 214 с.

10. Никифоров Р.Р., Куценко С.Н., Костандов Ю.А. и др. Механико-математическая модель системы металлоостеосинтеза и расчет ее напряженно-деформированного состояния // Травма. 2013. Т.14. № 13. С. 43-51.

11. Рубникович С.П., Наумович С.А. Методы определения напряженно-деформационного состояния твердых тканей зубов и ортопедических конструкций // Медицинский журнал. 2008. № 1. https://medmag.bsmu.by/category23/article1093/

12. Ситник А.А., Ковеня А.С., Ковеня Т.А., Чернышев Д.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния системы «большеберцовая кость – фиксатор» // Механика машин, механизмов и материалов. 2012. № 1 (18). С. 90-95.

13. Ямщиков О.Н. Компьютерное моделирование в травматологии и ортопедии (обзор литературы) // Вестник ТГУ. 2014. Т.19, вып.6. С. 1974-1979.

14. Duan Y., Wang H.H., Jin A.M. et al. Finite element analysis of posterior cervical fixation // Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 2015. Vol.101. PP. 23–29.

Количество просмотров: 287


Библиографическая ссылка

Токтаров Е.Н., Жанаспаев М.А., Тлемисов А.С., Бокембаев Н.А., Ерыгина Л.А., Мысаев А.О. Математическое моделирование блокируемых штифтов методом конечных элементов / / Наука и Здравоохранение. 2017. №6. С. 101-115.