有限元方法的人工髋臼参数毕业设计

江苏师范大学科文学院本科生毕业论文基于有限元分析的钻杆参数设计PAGE35存档日期：存档编号：江苏师范大学科文学院本科生毕业设计（论文）基于有限元方法的人工髋臼参数设计基于有限元方法的人工髋臼参数设计姓名：冯恺伟系别：机电工程系专业：机械设计与自动化指导教师：姜海波江苏师范大学科文学院教务部印制徐州师范大学科文学院学士学位毕业设计报告（毕业论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计报告（论文）基于有限元方法的人工髋臼参数设计是本人在导师指导下，在江苏师范大学科文学院学习期间，进行毕业设计（论文）时取得的成果。本人知道，除文中已经标明引用的内容外，本毕业设计报告（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。班级：10Z机制学号：088321009学生签名：冯恺伟年月日基于有限元方法的人工髋臼参数设计摘要：本次毕业设计的题目是“基于有限元方法的人工髋臼参数设计”。在于运用ANSYS软件分析球窝球头受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的髋关节球窝球头实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。在对本次球窝球头设计之前首先需要熟练掌握ANSYS软件系统，对球窝球头分析第一要求对它们进行建模，建模分为两种，一种是二维建模，在建模过程中，通过建模面指令将球窝球头的2维平面构造起来，本次设计是有限元静力分析，为此我设计5组尺寸进行了分析，所以建立了5组尺寸模型。另一种是3维建模，2维建模完成后就可以通过VROTAT指令对其进行三维建模，通常三维建完的模是分成四份，在软件前处理器运算中相加实体完成当模型建立完之后，就可以对其进行网格划分，根据球窝球头模型结构采用实体自由划分，将其实体分成若干份小四面体，将分析部分进行细化完成划分。划分完网格后就对球头施加静力，模仿髋关节运动设定球窝固定，球头上施加1200kg的力，对其进行求解。当求解完成后，就对球窝球头做分析并生成图形，在后处理器中，对5组位移变形和应力数据分析比较得出结果结论：分析结果发现，当球头直径变化时，整体应力与球头应力发生了波动，成上升趋势，但球头直径为31mm时应力明显下降，而位移变形却增大了，这说明在其尺寸下极其不稳定，在静力施加下尽量避免其尺寸出现，而位移变形成整体线性下降趋势，通过五组数据比较球头直径为30mm的较稳定【关键词】球窝压头；应力载荷有限元分析；三维建模；ANSYS；动静态分析AbstractThegraduationprojectentitled"ballneststructureoftheindenter,thestressload,finiteelementanalysis.Thepurposeofthetopicistheanalysisoftheballheadandtheuseofthenestenvironmentforce.FocusedontheuseofANSYSsoftwaretoanalyzeballballandsocketheadbystaticorimpactloads,stressanalysis,andANSYSsoftwaretolearn,tomasterthesoftwaretocompletethefiniteelementanalysismethodsandprocedures,andtheuseofsoftwarespecificallygiventothegraduatedesignthehipballandsocketballheadinstancetoanalyze,throughthecompletionoftheentireanalysisprocesstoachievetheirproficiencyintheANSYSsoftware,requiringmeasuredthefollowingparameters:stress,strain,deformation.Unreasonableinstitutionsbyanalyzingtheimprovementprogramandverifythattheimprovedscheme.

ANSYSsoftwaresystem,youfirstneedtomasterbeforetheballheadoftheballandsocketdesignanalysisrequirementsmodeling,modelingisdividedintotwoballheadontheballandsocket,atwo-dimensionalmodeling,themodelinginstructionthroughmodelingsurfaceoftheballnestballheadprocess,thetwo-dimensionalplanarstructuretogether,thisdesignisthefiniteelementstaticanalysis,andIdesignthegroupsize,sothegroupsizemodel.Theotherisa3-Dmodeling,2-Dmodelingiscompleteafterthree-dimensionalmodelingVROTATinstruction,usuallythree-dimensionalmoldofthefinishedbuildingisdividedintofourparts,thesumoftheentityintheprocessor-intensivesoftwaretocomplete

Whenthemodelisfinished,itcanbemeshedusingsolidfreeformdividedaccordingtothemodelstructureoftheballandsocketballheadwillbeinfactthebodyisdividedintoseveralsmalltetrahedron,willanalyzepartoftherefinementtocompletedivision.

Thedivisionfinishedthegridafterthestatic,imposedontheballheadtomimicthehipmovementtosettheballandsocketfixedballheadimposed1200kgforcetosolve.

Whenthesolutionisfinished,theballheadontheballandsocketdoanalysisandgeneratethegraphicalpost-processor,5groupsofdisplacementdataanalysisofthedeformationandstresstheoutcome【Keywords】:ballandsockethead;finiteelementanalysisofstressload;three-dimensionalmodeling;theANSYS;staticanddynamicanalysis目录绪论 5第一章分析方法和研究对象 91.1ANSYS简介 91.2ANSYS的主要应用领域 111.3ANSYS主要分析步骤 111.4圆球髋关节简介 12第二章模型建立 152.1圆球髋关节二维制图 152.2三维建模 162.3人体髋关节静力学分析 172.4网格划分 182.5球头球窝网格划分设计 202.5球窝球头约束和受力特点 202.6球头的变形位移图 222.7球窝球头应力图 23第三章球头球窝大小变化分析比较 243.1整体应力图变化 243.2整体位移变形图变化 253.3球窝应力图变化 263.4球窝位移变形图变化 273.5球头应力图变化 293.6球头位移变形图变化 30第四章总结与展望 324.1总结 324.2毕业论文体会 324.3致谢 33参考文献 34绪论1.1课题目的本次毕业设计的题目是“圆球窝压头结构，应力载荷有限元分析”。课题的目的是对球头窝的使用环境受力情况的分析。重点在于运用ANSYS软件分析钻杆受到静力或冲击载荷受力分析，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的钻杆实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，要求测得以下相关参数：应力，应变，变形等。并通过分析对不合理机构提出改进方案，并验证改进的方案。1.2背景近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这足以体现出了计算机应用技术的重要性。髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。如下图就是关于人体髋关节的结构类似图人工髋关节假体是仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，可以了解到人工髋关节假体的发展历程已走过很久。1822年英国人Anthony.White医生施股骨大粗隆下5cm截骨术，以改善髋关节功能，缓解疼痛，12个月后形成假关节。1876年美国人Barton施股骨小粗隆上截骨术，术后3个月扶单拐行走。1840年-1860年美国JM.Carnochan首先进行了下颌关节成形术，橡木片（非生物材料）置入，关节可以活动，但后来橡木片被排出而失败，这一手术应该说是人工假体置换术的开端。1910年德国Dethert用橡胶假体施行了全髋关节置换术。1923年SmithPetersen设计了玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换术的鼻祖，以后用了许多不同材料做的杯效果均不佳。1934年Rehn用不锈钢杯置入髋关节脱位患者的髋臼。及至如今，人工全髋关节的技术研究已有一定成绩。人工髋臼和人工股骨头在过去均用金属，由于实践证明该设计并发症多，现已不用。目前国内外均用超高分子聚乙烯制成的髋臼，低强度模量金属制成的人工股骨头。人工全髋关节的类型和设计较多，主要是股骨头的直径和与骨固定的髋臼面的设计。较厚的髋臼，直径相对小的人工股骨头组成的全髋，头臼摩擦力小，人工臼稳定，局部反应小。人工全髋关节置换术的并发症除有人工股骨头置换的并发症外，尚有人工髋臼的松动，脱位及负重区的超高分子聚乙烯面磨损后引发的局部反应。假体的外形设计和手术中的安装、固定方法是现今研究的重点，针对这些方面国内外专家进行了很多的尝试。而通过有限元分析法以及相关软件的帮助，对于人工假体设计相信可以在一定程度上化简了研究的工作。1.3有限元分析的内容及方法有限元方法是数值计算中的一种离散化方法。用数学术语来说,就是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函（能量积分）的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解；从物理和几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域的发展和应用，其基本思想是将弹性体划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统，其求解方式现在有多种可利用的商业化软件，这里我们应用ANSYS软件系统。有限元分析步骤如下：第一步，问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步，求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步，确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步，单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。第五步，总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。第六步，联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组，联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价，并确定是否需要重复计。静力分析Ansys的大体步骤：1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；3、设定材料模型；4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置；7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；8、施加力和约束等；9、求解：注意设置合适的求解选项；10、进入后处理菜单获得计算结果等。ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。前者用于处理整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果。结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；11、评价分析结果。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。通过有限元分析法以及相关软件的应用，介入人体假体的研究，从而对假体进行受力分析，可以对假体的形状，材料等进行分析，一方面化简研究过程，另一方面在节约时间的同时，也不会因此让其结果影响到研究的准确性。研究内容基于有限元方法对圆球窝压头结构进行分析，球窝球头运动类似于人体髋关节运动，本次设计是假想通过股骨头施加静力在骨臼上，下面有关骨臼股骨头的相关图片对髋关节球头施加力后，观察他们的变形位移和应力变化，再通过改变其球头直径尺寸来分析位移变形和应力与球头尺寸的变化关系，球窝壁厚设计为8mm，球头直径设计为28mm，29mm,30mm,31mm,32mm5个尺寸，算出每一组尺寸数据之后进行分析比较，得出结果第一章分析方法和研究对象1.1ANSYS简介ANSYS10.0在CAE功能上引领现代产品研发科技，涉及的内容包括：高级分析、网格划分、优化、多物理场和多体动力学。ANSYS10.0不仅为当前的商业应用提供了新技术，而且在以下方面取得了显著进步：继续开发和提供世界一流的求解器技术提供了针对复杂仿真的多物理场耦合解决方法整合了ANSYS的网格技术并产生统一的网格环境通过对先进的软硬件平台的支持来实现对大规模问题的高效求解继续改进最好的CAE集成环境－ANSYSWORKBENCH继续融合先进的计算流体动力学技术加速多步求解ANSYSVT加速器，基于ANSYS变分技术，是通过减少迭代总步数以加速多步分析的数学方法。这包括了收敛迭代和时间步迭代或者二者的综合。收敛迭代的例子是非线性静态分析，不涉及接触或塑性，而时间步迭代指的是线性瞬态结构分析，二者组合的例子，非线性结构瞬态或者热瞬态分析。ANSYSVT加速器提供了2-10X的加速比，允许用户快速重新运行模型。具体的加速比受到硬件、模型和分析类型的影响。而且，这个工具在非线性或瞬态分析的参数研究中可以获得5-30X的加速。在使用ANSYSVT加速器之前，用户可以作下列类型的改进：修改或者增加或移除载荷（约束不能更改，但是数值可以修改）材料和材料模型截面常数和实常数几何ANSYSVT加速器软件，使用ANSYSMECHANICALHPC的授权，可以应用到结构循环对称模态分析以及高频电磁谐分析。ANSYSVT加速器可以结合ANSYSDESIGNXPLORERVT技术，实现更快速的参数化研究。网格变形和优化对于很多单位，进行优化分析的最大障碍是CAD模型不能重新生成，特征参数不能反映那些修改研究的几何改变。通过与ANSYSWORKBENCH的结合，ANSYSMESHMORPHER（FE-MODELER的新增加模块）可以实现这个功能，甚至更多。通过网格操作而不是实体模型，ANSYSMESHMORPHER对于来自于CAD的非参数几何数据，如IGES或者STEP，以及来自于ANSYSCDB文件的网格数据，实现了模型参数化。将网格读入FEMODELER，并且产生对应于该网格的“综合几何”的初次配置。在ANSYS10.0，ANSYSMESHMORPHER提供了四种不同的转换：面平移、面偏置、边平移和边偏置。更多样的配置可以通过以上转换的组合实现。例如，一个圆柱表面的面偏置就等效于变更其半径。这些转换决定了目标配置并自动定义转换参数。一旦确定，这些转换参数可以通过ANSYSDESIGNXPLORERVT拟合方法来拟合，如KRIGING算法、非参数化退火算法和神经网络算法等。一旦拟合完成，可以使用ANSYSDESIGNXPLORERVT中的能量优化技术找到最优值或者执行6SIGMA分析设计。ANSYSMESHMORPHER为仿真驱动的产品开发打破了优化障碍。统一网格技术ANSYS10.0提供给用户新的统一分网环境，帮助用户实现基于物理的网格划分解决方案，例如机械、电磁、CFD或者显式仿真。来自于ANSYS、ANSYSICEMCFD和ANSYSCFX的一流网格几乎已经延伸到ANSYSWORKBENCH中，综合多种算法的优势，提供一个智能的、灵活且鲁棒的网格划分能力。基于预定义的物理过滤器，各种控制自动定义了，比如网格尺寸、网格过渡、网格均匀性、划分速度、网格质量和曲率的细化控制等。如果必要，高级用户控制选项可用来使用。划网的智能特性提供了灵活的附加控制，帮助初级用户为了改进求解速度或者精度而得到适合于物理问题的良好网格。多重网格控制方法，以及高级选项，提供了备份网格划分方法以改善网格划分的整体鲁棒性。在10.0中，共同网格对象已经实现了，为多个应用之间的交互提供了附加的灵活性。这为求解器（FSI、隐式/显式等）之间的交互提供了增强的双向通讯。同时也提供了网格划分的统一方法。这个共同网格对象保证了在ANSYSWORKBENCH框架中集成第三方的划网功能。ANSYSICEMCFD和AIENVIRONMENT10.0中的创新在于多区域体网格划分工具，可用于空气动力学中。新的网格划分方法提供了对块（结构网格方法）的灵活性和控制，易于使用的自动（非结构化）网格方法。半自动多区网格算法允许用户在面和体上对网格进行总体控制，边界上通过映射或者扫描块提供了纯六面体网格，而内部过渡到四面体或者六面体为主的网格。映射、扫描和自由划分技术为模型中最重要区域的结构化六面体网格划分提供了自由，可以保证用较少的精力得到高质量的自动化网格。ANSYSICEMCFD和AIENVIRONMENT10.0产品也回答了古老的问题：“我应该用四面体划网还是花更多的时间用六面体划网”。相对于传统的四面体网格算法，新的体-拟合笛卡儿划网方法可以帮你用更少的时间划分纯六面体网格。包含四面体和金字塔形状的混合网格划分方法减少了限制并且提供了更容易的方法编辑网格。这个方法产生的六面体网格的统一性更适合于显式碰撞分析或者任何六面体网格更适合的分析。1.2ANSYS的主要应用领域ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于图1-1ANSYS操作界面以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。1.3ANSYS主要分析步骤静力分析的定义：静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变。同时，结构静力分析还可以计算那些固有不变的惯性载荷以及那些可以近似为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。静力分析中的载荷静力分析用于计算有那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定：即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：(1)外部施加的作用力和压力；(2)稳态的惯性力；(3)位移载荷；(4)温度载荷。我们以静力分析为例来介绍一下ANSYS。主要分析步骤：1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；3、设定材料模型；4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置；7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；8、施加力和约束等；9、求解：注意设置合适的求解选项；10、进入后处理菜单获得计算结果等。ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。前者用于处理整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果。结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；11、评价分析结果。1.4圆球髋关节简介在髋臼的边缘有关节盂缘附着。加深了关节窝的深度。在髋臼切迹上横架有髋臼横韧带，并与切迹围成一孔，有神经、血管等通过。关节囊厚而坚韧，上端附于髋臼的周缘和髋臼横韧带，下端前面附于转子间线，后面附于转子间嵴的内侧（距转子间嵴约1厘米处），因此，股骨颈的后面有一部分处于关节囊外，而颈的前面则完全包在囊内。所以股骨颈骨折时，根据其骨折部位而有囊内、囊外或混合性骨折之分。髋关节周围有韧带加强，主要是前面的髂股韧带，长而坚韧，上方附于髂前下棘的下方，呈人字形，向下附于股骨的转子间线。髂股韧带可限制大腿过度后伸，对维持直立姿势具有重要意义。此外，关节囊下部有耻骨囊韧带增强观察髋关节的运动，可限制大腿过度外展及旋外。关节囊后部有坐骨囊韧带增强，有限制大腿旋内的作用。关节囊的纤维层呈环形增厚，环绕股骨颈的中部，称为轮匝带，能约束股骨头向外脱出，此韧带的纤维多与耻骨囊韧带及坐骨囊韧带相编织，而不直接附在骨面上。股骨头韧带为关节腔内的扁纤维束，主要起于髋臼横韧带，止于股骨头凹。韧带有滑膜被覆，内有血管通过。一般认为，此韧带对髋关节的运动并无限制作用。髋关节为多轴性关节，能作屈伸、收展、旋转及环转运动。但由于股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节盂缘加深，包绕股骨头近2/3，所以关节头与关节窝二者的面积差甚小，故运动范围较小。加之关节囊厚，限制关节运动幅度的韧带坚韧有力，因此，与肩关节相比，该关节的稳固性大。而灵活性则甚差。这种结构特征是人类直立步行，重力通过髋关节传递等机能的反映。当髋关节屈曲、内收、内旋时，股骨头大部分脱离髋臼抵向关节囊的后下部，此时若外力从前方作用于膝关节，再沿股骨传到股骨头，易于发生髋关节后脱位。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，三维软件建模技术及有限元分析技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，特别是有限元技术已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、国防军工、能源、铁道等各个研究领域的广泛应用使得工程师的设计水平发生了质的飞跃，这足以体现出了计算机应用技术的重要性。髋关节是人体最大、最稳定的关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于髋关节的重要性和置换的多样性，目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。对髋关节进行了三维有限元模拟，研究其非线性接触压力分布，对医学，对假体的研究，具有非同一般的意义。如下图就是关于人体髋关节的结构类似图人工髋关节假体是仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。人工全髋关节假体由人工髋臼和人工股骨头组成，分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。纵观历史，可以了解到人工髋关节假体的发展历程已走过很久。第二章模型建立2.1圆球髋关节二维制图ANSYS10.0建模都是在前处理器中进行的，虽然没有autocad,UG等软件绘图方便，但其效果都是一样的，而且无需导入。1.开ANSYS软件后，窗口左边是主页菜单，里面有首选项，前处理器，求解器，通用处理器，时间历程后处理器，扩扑优化等功能，其中建模则在前处理器中完成，点击前处理器后,在接下来的菜单中选择模型选项之后又出现了一些菜单选项，点击创建，点击面，在面选项中选择圆形绘图，接着点击通过尺寸，随后会弹出一个框架进行填写当外径，内径，开始角，终止角选好后按确定，球窝半型面完成。2.按照同样的方法在创建里进入面选择，点击圆形，根据要求我们先选择了直径为28的圆，开始角和终止角分别为-90到90，右半圆绘画完成。3.球头下需要增加一个圆柱，用来作为加载的承载面，因此我需要在二维平面上画出一个矩形，在创建命令里面选择矩形绘图，根据要求设计尺寸，矩形绘画完之后整体效果如图所示。图2-1圆球髋关节二维模型除了以上方法还可以通过AUTOCAD导入图形，根据各个材料所查得的数据，我们首先在AutoCAD中建立,人体圆球髋关节的二维图形。AutoCAD的功能强大主要图2-1圆球窝二维图纸2.2三维建模三维建模的软件很多，常用的有CATIA、UG、PROE、SOLIDWORKS等。他们都有各自的特点，使用与不同的领域。在机械零件的建模上，一般ANSYS就可以建模。所以，在对人体圆球髋关节采用ASYSY10.0软件就可以了。实体模型可以定义为生成实体模型的过程:使用命令“VROTAT,NA1,NA2,NA3,NA4,NA5,NA6,PAX1,PAX2,ARC,NSEG”可以使面旋转成体。其中，NA1-NA6是你要旋转的面的编号，PAX1,PAX2是确定旋转轴的的两个关键点，ARC是你要旋转的角度，NSEG是生成体的数目，即将你旋转生成的体分割为几份，最大为8。例如，你要把编号为1，2，3的面绕由关键点1，2确定的轴旋转360度，且把体分为六瓣，那么命令是“VROTAT,1,2,,,,,,3,2,360,4”使用该命令旋转成体，图2-23维模型图2.3人体髋关节静力学分析材料参数假设三维有限元模型中涉及的各种材料均为各向同性、均质的线弹性材料，全髋人工关节置换术最常见的模式是应用超高分子量聚乙烯髋臼与金属股骨头和股骨柄。其中,超高分子量聚乙烯髋臼的弹性模量为700MPa,泊松比为0.46;钴铬钼合金的弹性模量为210000MPa,泊松比为0.29。2.4人体髋关节受力特点类型分析对人体髋关节结构进行分析时，在满足精度的前提下应对力学模型进行必要的简化，从而简化计算工作量。由于软骨的分辨率难以达到建模要求，本文建立的三维实体模型只对人体髋关节进行了重建分析，没有考虑软骨的影响，由于髋臼与金属股骨头的材料特性相差很远，从建模和计算工作量角度考虑，建模时不考虑其他环节部分，建立一个中空的人体髋关节三维实体模型，根据国外文献报道[4]计算时可把人体髋关节看作分布均匀且各向同性体材料进行分析，结果不会产生大的偏差。将三维模型导入有限元分析软件(Ansys10.0）单元选择Solid92和Solid82，一个是为了满足人体髋关节结构特点，二是满足髋臼与金属股骨头网格划分。本次分析是根据人体髋关节的结构进行运动分析，我们将其分成球窝球头运动，球头可以沿着球窝完成上下，左右，以及旋转运动，运动方式很多，变形和应力也不同，根据加载方向，确定球窝球头运动方向，将球窝固定，将力竖直施加在球头表面上，这就是本次的有限元静力分析设计。有限元分析方法有限元分析的任务就是把无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变为离散型单元。所谓有限单元法，其基本思想就是把连续的几何机构离散成有限个单元，再在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时把选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数用来表示单元中场函数的分布规律，然后建立用于求解节点未知量的有限元方程组，进而将一个连续域中的无限自由度问题转换为离散域中的有限自由度问题。当单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机求出节点位移后再结合弹性力学的有关公式计算出各单元的应力、应变等，当各单元小到一定程度，那么它就可以代表连续体各处的真实情况。有限元方法是利用场函数分片多项式的逼近模式来实现离散化过程的，也就是说有限元方法依赖于这样的有限维子空间其基函数系是具有微小支集的函数系这样的函数系同大范围分析相结合即可反映场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。对任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域恰好就是基函数本身和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置力在相互作用中产生的能量，可用双线性泛函来表示可知离散化所得到的方程其系数矩阵是稀疏的。若区域分割细小化，则支集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏。这给数值解法带来了极大的方便。有限元分析的基本思路是用较简单的问题，代替复杂问题后再求解。将求解域看成是由有限多的称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元给定一个合适的（较简单的近似解，然后推导求解这个域上的总的满足条件，如结构的平衡条件的解从而得到问题的解。这个解只是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。但对大多数实际问题来说都难以得到准确解，只要满足工程需要即可，而有限元的计算精度不仅足够高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。2.4网格划分自由网格和映射网格为常用的网格划分方式。在对模型进行网格划分之前，要确定采用自由网格还是影射网格进行分析，这是非常重要的。自由网格对实体模型无特殊要求，对任何几何模型，规则的或不规则，都可以进行网格划分，并且没有特定的准则。映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则。在本分析中，采用是自由网格划分。在划分网格时，采用了ANSYS提供的最常用的网格划分控制工具“MeshTool”中的“SmartSizeControls”,它是对网格划分进行智能化控制，它是网格划分的操作捷径。网格划分的值越小得到的结果越好，但网格太细则会占用大量的分析时间，造成资源浪费，同时太细的网格在复杂的结构中，也可能会造成划分不同网格时的连接困难。为提高计算效率，而又可以兼顾网格的精度，可以使用网格的局部细化功能。如图3-7局部细化选择项图，在使用网格的局部细化功能对某个或某些面细化时，首先调出网格划分控制工具“MeshTool”，在网格划分控制工具“MeshTool”中的“Refineat”项目中点选“Areas”选项，然后点击“Refine”准备去选择细化的面。图2-3局部细化选择项图在网格划分密度时，选取值为2，然后选取球窝球头的接触面，以接触面为基础进行网格局部细化，如图3-8细化后效果。2.5球头球窝网格划分设计经过面模型建立之后，就要对原来的球头球窝的三维模型进行划分，因为当初选择的是体自由划分，所以划分出的网格为四面体。步骤首先，选择网格属性，分别对球头球窝进行实体材料定义。第二，选择划分网格，从体划分选项中选择自由划分。图2-4划分网格图最后，选择两个实体划分结果如图：2.5球窝球头约束和受力特点球窝球头运动多种多样，根据人体髋关节结构分析，球头围绕着球窝运动，因此首先应将球窝进行固定，在ANSYS软件中可以在求解器中进行设置，在定义载荷中选应用，应用中点击位移，球窝是固定不动的所以在位移参数中输入0，如下图所示，并且是他X,Y,Z轴都限制不动，这样一来球头就围绕球窝运动了，因施加的是静力，因此球窝受球头压力变化。图2-5位移表格分析对象为圆球与圆球窝结构，圆球的直径分别为28mm29mm,30mm,31mm,32mm,取圆球窝壁厚为8mm，假定加载1200kg的重量，可取g=10N/kg。由此，得加载的力F=1200*10=12000N。而小圆柱底面面积S=（10/2）²π=25π。所以，加载在小圆柱底面的力为F/S=12000/25π≈142MPa。如图为施加力的图图2-6静力施加2.6球头的变形位移图图2-7位移变形当受力方向，大小，约束都完成后就可以进行求解了，求解完成后球窝球头如图所示：2.7球窝球头应力图图2-8应力图以上为直径30mm的球头与壁厚为8mm的球窝，通过施加为1200kg的载荷应力图，通过计算数据如图所示第三章球头球窝大小变化分析比较本次设计已经讲过直径为30mm的球头和壁厚为8mm的球窝进行了静力有限元分析，选取完材料后，应力和应变图也相应设计完成，可还有个问题是当球头或球窝尺寸变化时，其应力应变图将发生什么养的变化，本次通过改变球头直径参数，球窝不变来观察起变化，经过研究发现如下变化，我将球头直径尺寸分别从28mm，29mm,30mm,31mm,32mm进行变化，结果如图：3.1整体应力图变化图2-9整体应力变化3.2整体位移变形图变化图2-10整体位移变形表3-1位移变形数据表球头直径尺寸（mm）最大位移变形变化（mm）最大应力变化（mpa）280.584×10-7329.68290.569×10-7333.281300.522×10-7338.475310.492×10-7317.693320.465×10-7364.449总结：通过图表可知当球头直径变大时，整体位移变形成线性下降，但应力变化有所波动从小到大开始是呈上升趋势，但在31处却下降了，因此发现有跳动，因为是整体分析，所以不能确定是球头还是球窝造成的，接下来先分析球窝3.3球窝应力图变化图2-11球窝应力变化3.4球窝位移变形图变化图2-12球窝位移变形变化表3-2球窝位移变形数据表球头直径尺寸（mm）球窝位移变形变化（mm）球窝最大应力变化（mpa）280.528×10-711.449290.513×10-710.567300.470×10-79.596310.438×10-79.015320.410×10-78.179总结：从图中位移变形图由上而下分别为直径28mm，29mm,30mm,31mm,32mm的计算变形值，可以发现球头尺寸越大，球窝位移变形越小，应力也越小。总体呈线性下降，发现并为跳动因此是球头有变化，最后分析球头变化情况3.5球头应力图变化图2-13球头应力变化3.6球头位移变形图变化图2-14球头位移变形变化球头图形汇总结果表3-3球头位移变形数据表球头直径尺寸（mm）球头位移变形变化（mm）球头最大应力变化（mpa）280.584×10-7329.68290.569×10-7333.281300.522×10-7338.475310.492×10-7317.693320.465×10-7369.449从图中位移变形图由上而下分别为直径28mm，29mm,30mm,31mm,32mm的计算变形值，可以发现球头尺寸越大，球头位移变形线性下降，球头应力刚开始有上升趋势，但在尺寸31mm处发现下降跳动，说明其尺寸不太稳定，同时发现30mm处比较稳定。第四章总结与展望4.1总结本次设计是针对壁厚为8mm的球窝和五组球头进行静力分析,球头直径分别为,28mm,29mm,30mm,31mm,32mm,当模型建立后将每组划分了网格,施加1200kg的静力并进行了求解,从而得到本次分析的位移变形和应力变化状态图,通过图表可知当球头直径变大时，位移变形和应力发生了变化.分析结果发现，当球头直径变化时，整体应力与球头应力发生了波动，刚开始呈上升趋势，但球头直径在31mm时应力明显下降，而位移变形却增大了，这说明在其尺寸下极其不稳定，为了便于分析，我有分析球窝变化情况，发现球窝应力变化和位移变形变化无明显波动，都是呈现出线性下降，这说明壁厚不变时，球窝分析结果稳定，那么31mm处发生跳动是在球头应力分析上出现的，根据图表所知，球头也是先呈上升趋势，在31mm处发生局部下降，这样的跳动说明，在此值上表现不稳定，所以31mm并不是合适的尺寸，在静力施加下尽量避免其尺寸出现，而位移变形成整体线性下降趋势，通过五组数据比较球头直径为30mm的较稳定，因为相比较应力值与位移变形值都不大不小，没有太大变化。4.2毕业论文体会从最后一学期开学以来到现在我最大体会是要学习ANSYS软件必须了解有关有限元分析的相关知识,不然学习软件起来会比较困难,在学习软件之前,你首先要查阅大量通过有限元分析相关实例,分析别人实例中是怎样通过ANSYS软件对物体进行分析的,虽然此过程辛苦而漫长,但正因为我前期的努力,才换来了后面的回报,再通过每个星期姜老师的细心指点之下,我终于对软件和有限元分析有了一定的了解,在运用软件上也得心应手,在回顾过去的几个月,遇到的的困难也不少,对于ANSYS软件,掌握起来不容易,有很多细节的地方需要考虑,比如选择什么样的类型,怎么很好的建模,如何划分网格,怎样施加静力等问题,碰到很多坎坷,好在研究软件的不止我一个,所以一起交流,一起克服困难,一步一步将问题一一解决,老师也同时不断指点迷津,让我更快的熟悉软件应用4.3致谢时间就像流水一样悄悄离去，本次毕业设计已经接近尾声了，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。本论文是在导师姜老师的积极鼓励和精心指导下完成的。姜老师丰富的理论知识、实践经验和严谨的治学态度使我在专业知识方面受益匪浅，他的无微不至的关怀对我论文的完成起到了极大的帮助作用。在此对导师的悉心培养致以最衷心的感谢。我设计的是以髋关节为结构假象设计一对球头球窝,对其进行静力分析,在软件操作中首先创建模型,然后划分网格,其次约束和施力,最后得出结果.在这里首先要感谢我的姜海波导师老师。姜海波平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从开始的查阅资料，到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，分析变形图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是姜老师仍然细心地纠正论文中的错误。除了敬佩姜老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在本课题的研究和试验过程中，我有很多不懂