Μοντέλα τριβής σε τεχνητή άρθρωση γόνατος

Loading...
Thumbnail Image

Date

2024-07-04

Authors

Πετρακόπουλος, Γεώργιος

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Στην παρούσα εργασία αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο αναπτύσσεται ένα μοντέλο τριβής μικτής λίπανσης σε μια τεχνητή άρθρωση ανθρώπινου γόνατος με δημιουργία κώδικα. Από το πρώτο μισό του 20ου αιώνα, η επιστήμη έκανε λόγω για τεχνητές αρθρώσεις. Πολλές πειραματικές και υπολογιστικές μελέτες έχουν από τότε διενεργηθεί με σκοπό την αύξηση της διάρκειας ζωής τους. Οι τεχνητές αρθρώσεις χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου η φυσική άρθρωση αστοχεί είτε λόγω τραυματισμού είτε λόγω ασθένειας. Επειδή η αιτία καταστροφής των τεχνητών αρθρώσεων είναι η τριβή που οδηγεί στη φθορά και επειδή οι πειραματικές διατάξεις για τον υπολογισμό των μεγεθών αυτών είναι ιδιαίτερα δαπανηρές, η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου για τον υπολογισμό της τριβής θεωρήθηκε σημαντική. Αρχικά, μελετήθηκαν οι αρχές που διέπουν το πρόβλημα. Μεταξύ των δύο επιφανειών της άρθρωσης παρεμβάλλεται το αρθρικό υγρό και αναπτύσσεται καθεστώς λίπανσης. Χρησιμοποιήθηκε η θεωρία των εδράνων και η εξίσωση του Reynolds για υδροδυναμική λίπανση. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, χρησιμοποιήθηκαν οι εξισώσεις των Patir & Cheng με τους παράγοντες ροής όπου λαμβάνουν υπόψιν την τραχύτητα στην υδροδυναμική λίπανση. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση των τραχυτήτων στο μοντέλο με χρήση της θεωρίας των Greenwood & Tripp για τις περιοχές όπου υπάρχει επαφή καθώς η λίπανση είναι μικτή. Δεδομένα, για την κινηματική, τις κατανομές φορτίου και ταχυτήτων με το χρόνο, στατιστικά μεγέθη τραχυτήτων, ιξώδους, γεωμετρίας και μέτρου ελαστικότητας εισήχθησαν από επίσημες πηγές και από πρότυπα ISO. Η γεωμετρία του λιπαντικού προσομοιάστηκε με γεωμετρία ελλειψοειδούς ένσφαιρου εδράνου σε κάθε κόνδυλο. Όλες οι εξισώσεις αδιαστατοποιήθηκαν και έπειτα διακριτοποιήθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών αφού δημιουργήθηκε πλέγμα. Η υπολογιστική διαδικασία παρατίθεται αναλυτικά και παρουσιάζεται διάγραμμα ροής. Έπειτα έγιναν προσομοιώσεις για τις κατανομές των πιέσεων και της τριβής σε περιβάλλον MATLAB για διάφορα μέτρα ελαστικότητας του UHMWPE και διάφορες τιμές ιξώδους του αρθρικού υγρού και παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα σε μορφή διαγραμμάτων. Βρέθηκε ότι η αύξηση του μέτρου ελαστικότητας έχει ως αποτέλεσμα μικρή αύξηση στην κατανομή πίεσης και μικρή μείωση στο συντελεστή τριβής ενώ η μεταβολή του ιξώδους δεν επηρεάζει σημαντικά το συντελεστή τριβής. Επιπλέον, σχεδόν ολόκληρο το φορτίο παραλαμβάνεται από τις τραχύτητες παρά από την υδροδυναμική ροή. Τέλος, σχολιάστηκαν τα αποτελέσματα και παρατέθηκε η βιβλιογραφία.

Description

Keywords

Βιοτριβολογία, Τεχνητή άρθρωση, Τριβή, Φθορά, Μικτή λίπανση

Citation