پایان نامه تحلیل اجزاء محدود تنش و کرنش در پروتز جانشين زانوي انسان

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع ارشد  مهندسي مکانیک

گرایش :طراحی کاربردی

عنوان : تحلیل اجزاء محدود تنش و کرنش در پروتز جانشين زانوي انسان

دانشگاه صنعتی بابل

دانشکده مهندسي مکانیک

 

عنوان:

تحلیل اجزاء محدود تنش و کرنش در پروتز جانشين زانوي انسان

 

پايان نامه برای اخذ درجه کارشناسي ارشد در رشته

مهندسی مکانیک گرايش طراحی کاربردی

 

استاد راهنما:

دکتر علی معظمی گودرزی

استاد مشاور:

دکتر حامد افراسیاب

 

شهریور‌ماه 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

تجربه از دست دادن يك عضو بسيار درنا‌ك و تلخ مي‌باشد. درك كامل اين حس تنها زماني ميسّر خواهد شد كه فرد يك عضو خود را از دست بدهد. چاقي و بيشتر شدن عمر متوسط، تعداد کاشت‌هاي پروتز جایگزین زانو[1] را افزايش داده است. به دلیل بالا رفتن امید به زندگی و همچنین پایین رفتن سن افراد پذیرنده این گونه پروتزها، عمر قابل انتظار این‌گونه پروتزها می‌بایستی افزایش یابد. از این رو برای بهبود کیفیت آن‌ها تحقیقات بسیاری در حال انجام می‌باشد تا بتواند عمر مفید آن‌ها را به قدری افزایش دهد که فرد بیمار نیازمند جراحی‌های مکرر بعدی برای تعویض و ترمیم پروتز آسیب دیده نباشد. در این پایان‌نامه عملکرد یک نمونه واقعی از پروتز‌ جایگزین زانو که از پای یک پیرزن خارج شده، مورد بررسی قرار گرفته است. پروتز مورد نظر به دلیل پیچیدگی هندسی، توسط دستگاه اندازه‌گیری مختصات[2] که نمونه‌ای از اسکنرهای سه بعدی تماسی هستند، با ایجاد ابر نقاط با دقت بالا مدل‌سازی و با نرم‎افزار تجاری سالیدورکس[3] ویرایش شده است. مدل مورد نظر به روش المان محدود و با نرم‌افزار انسیس ورک‌بنچ با شرایط مرزی مختلف شبیه‌سازی و مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی قرار گرفته است. مقایسه نتایج تطبیق مناسب نتایج شبیه‌سازی برای دو شرط مرزی گوناگون را نشان داده‌است. در ادامه جهت کاهش زمان همگرایی، از فرض خطی بودن ماده در شبیه‌سازی استفاده و نتایج حالت خطی و غیر خطی با هم مقایسه شده‌است. این نتایج، در موقعیت‌های گوناگون بارگذاری و در بحرانی‌ترین حالت از موقعیت‌های مختلف پیاده روی، بالا رفتن از پله، بلند شدن از صندلی، دو زانو ایستاده و چمپاتمه نشستن، برای ارزیابی عملکرد مکانیکی پروتز مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده شده‌ است که نتایج خطی و غیر خطی به علت خارج نشدن از حالت الاستیک تیبیال[4] پروتز زانو تطابق مناسبی دارد. بنابرین در ادامه بررسی از فرض خطی بودن استفاده شده‌ است. با فرض خطی بودن، برای موقعیت‌های پیاده روی، بالا رفتن از پله، بلند شدن از صندلی، دو زانو ایستاده و چمپاتمه نشستن و با استفاده از شرط مرزی نوع اول، نتایج شبیه‌سازی نشان داد که حالت چمپاتمه نشستن بیش‌ترین تنش‌ها را روی پروتز زانو اعمال می‌نماید و مستعدترین وضعیت برای ایجاد خرابی (تغییر شکل پلاستیک) در پروتز زانو خواهد بود. بنابراین بیمار الزام به رعایت قوانین استفاده از پروتز دارد. در این راستا، با ارائه‌ یک طرح اصلاح‌شده سعی در کاهش مقدار تنش‌ معادل در این وضعیت بحرانی شده‌است. نتایج شبیه‌سازی با این مدل اصلاح‌شده حاکی از کاهش چشمگیر در حداکثر تنش اعمالی ‌است.

 

کلمات کلیدی: شبیه‌سازی، تحلیل، رفتار مکانیکی، بارگذاری، پروتز جانشین زانو

فهرست مطالب

صفحه تصویب‌نامه…………………………………………………………………………………………………………………………………… الف

گواهي صحت و اصالت پايان نامه و مجوز بهره برداري……………………………………………………………………….. ب

 

فصل اول: مقدمه. 1

1-1-پیشگفتار 2

1-2-آناتومی مفصل زانو 3

1-2-1مفصل ساق– ران. 4

1-2-2-مفصل کاسه زانو- ران. 4

1-3-دردها و آسیب‌های معمول زانو 6

1-4-پروتز زانو 7

1-4-1-جنس مواد پروتز زانو 7

1-5-انواع جایگزینی پروتز زانو 8

1-5-1-جایگذاری چند تکه و کلی پروتز زانو 9

1-5-2-جایگذاری پروتز زانوی متحرک و ثابت.. 10

1-6-دلایل اصلی خرابی پروتز زانو 11

1-7-پيشينه پژوهش… 13

1-8-اهداف تحقيق حاضر 17

1-9-رئوس مطالب تحقيق. 18

1-10-جنبه‎های منحصر به فرد این پایان‌نامه. 19

فصل دوم: فرضیات و تئوری.. 20

2-1-صفحات بدن. 21

2-2-درجات آزادی زانو 22

2-3-تحلیل نیروها در مفصل زانو 23

2-3-1-محاسبه نیروها در مفصل زانو 25

2-3-2-نیروهای وارد بر مدل پروتز زانو برای انجام شبیه سازی. 31

2-4-موقعیت‌های گوناگون استفاده از پروتز زانو در فعالیت‌های روزمره 34

2-5-تحلیل مفصل زانو 37

2-6-روش‌های حل عددی. 38

2-6-1-روش تفاضل محدود 39

2-6-2-روش المان محدود 39

2-6-3-روش المان مرزی. 41

2-7-معرفی برنامه ANSYS Workbench. 41

2-7-1-شبیه‌سازی عددی مفصل زانو 44

فصل سوم: شبیه‌سازی عددی پروتز جانشین زانوی انسان. 46

3-1-فرضیات شبیه‌سازی پروتز 47

3-2-مراحل مختلف شبیه‌سازی پروتز زانو 48

3-2-1-مشخصات مکانیکی بخش‌های مختلف پروتز زانو 49

3-2-2-مدل‌سازی بخش‌های مختلف پروتز زانو 51

3-2-2-1-ویرایش مدل ابر نقاط بخش‌های مختلف پروتز زانو 52

3-2-3-المان‌‌بندی بخش‌های مختلف پروتز زانو 54

3-2-4-اعمال شرط مرزی و بارگذاری در شبیه‌سازی پروتز زانو 55

3-2-5-استخراج نتایج حاصل از شبیه‌سازی پروتز زانو 57

3-2-5-1-نتایج شبیه‌سازی برای زاویه زانوی صفر درجه و شرط مرزی نوع دوم. 58

3-2-5-2-مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو روش اعمال شرط مرزی. 63

3-2-5-3-مقایسه نتایج شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد 66

3-2-5-4-نتایج شبیه‌سازی با فرض خطی بودن رفتار مواد در موقعیت‌های مختلف.. 69

3-2-5-5-ارائه مدل جدید ویرایش‌شده تیبیال و تیبیال‌ترای. 73

فصل چهارم: اعتبارسنجی و صحت‌سنجی نتایج.. 82

4-1-بررسی عدم وابستگی نتایج شبیه‌سازی‌ پروتز زانوی مورد نظر به المان. 83

4-2-مقایسه کیفی نتایج شبیه‌سازی پروتز زانوی مورد نظر با نتایج شبیه‎سازی پروتز زانوی مشابه. 88

4-3-مقایسه منحنی تنش- کرنش واقعی با منحنی تنش- کرنش حاصل از شبیه‌سازی. 89

فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات.. 91

5-1-نتیجه‌گیری. 92

5-2-پیشنهادات.. 94

منابع. 95

 

فهرست شکل‌ها

شکل ‏1‑1: ساختمان زانو [1]. 3

شکل ‏1‑2: ساختمان زانو [1]. 5

شکل ‏1‑3: رباط‌های زانو [1]. 6

شکل ‏1‑4: بخش‌های اصلی پروتز زانو (فیمورال، تیبیال و تیبیال‌ترای) [2]. 7

شکل ‏1‑5: جایگذاری چندتکه و کلی مفصل زانو [1]. 9

شکل ‏1‑6: نمای زانو در حالت نگه داشتن رباط صلیبی پشتی (چپ)، پروتز جایگزین تثبیت‌کننده پشتی در تعویض کل مفصل زانو (راست) [1]. 10

شکل ‏1‑7: پروتز های زانوی ثابت (چپ) و متحرک (راست) و اجزای آن [1]. 10

شکل ‏1‑8: نمونه‌ای از آسیب پروتز زانو به دلیل ایجاد تغییر شکل پلاستیک [2]. 12

شکل ‏2‑1: صفحات بدن [17]. 23

شکل ‏2‑2: نمایش درجات آزادی مفصل زانو [1]. 23

شکل ‏2‑3: دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت اول [22]. 26

شکل ‏2‑4: دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت اول [16]. 28

شکل ‏2‑5: (الف) دیاگرام پیکر آزاد مفصل زانو برای حالت دوم (ب) دیاگرام برداری [16]. 29

شکل ‏2‑6: نمایش استخوان‌های مفصل زانو [16]. 33

شکل ‏2‑7: نیروها و گشتاور وارد بر سطح تیبیال در صفحه ساژیتال زانو. 33

شکل ‏2‑8: ماهیچه‌ها و زردپی‌های احاطه کننده مفصل زانو [23]. 34

شکل ‏2‑9: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت برخاستن از صندلی [25]. 36

شکل ‏2‑10: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت بالا رفتن از پله [25]. 36

شکل ‏2‑11: نمایش زاویه زانو و مقدار بار فشاری در حالت دو زانو ایستاده [25]. 37

شکل ‏2‑12: نمایش نیروها و حرکت های اعضای زانو [1]. 44

شکل ‏2‑13: نمایش مدل المان محدود پروتز ثابت (چپ) و متحرک (راست) [1]. 45

شکل ‏3‑1: منحنی تنش- کرنش واقعی پلی‌اتیلن مولکولار غنی شده [1]. 50

شکل ‏3‑2: قطعات تیبیال و تیبیال‌ترای و فیمورال پروتز زانوی مورد بررسی. 51

شکل ‏3‑3: مدل ابرنقاط خام قطعات تیبیال و تیبیال‌ترای پروتز زانوی مورد بررسی. 51

شکل ‏3‑4: مدل سه بعدی قطعه‌ فیمورال پروتز زانوی مورد بررسی (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 52

شکل ‏3‑5: مدل سه بعدی تیبیال و تیبیال‌‌ترای پروتز زانو، (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 53

شکل ‏3‑6: مدل سه بعدی پروتز کامل زانو مورد بررسی (الف) قبل از ویرایش و (ب) بعد از ویرایش. 53

شکل ‏3‑7: هندسه المان‌ Solid187. 54

شکل ‏3‑8: المان‌بندی بخش‎های مختلف پروتز زانوی مورد بررسی. 54

شکل ‏3‑9: نحوه بارگذاری پروتز زانو در حالت زاویه زانوی 135 درجه (بخشی از فیمورال ثابت و نیرو عمود بر سطح تیبیال‌ترای). 56

شکل ‏3‑10: نحوه بارگذاری پروتز زانو در حالت زاویه زانوی 135 درجه (سطح تیبیال ترای ثابت و نیرو در مرکز مفصل وارد بر سطوح فیمورال). 56

شکل ‏3‑11: تماس‎های مختلف موجود در تحلیل پروتز مورد نظر. 57

شکل ‏3‑12: کانتور تنش ون مایزز قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 58

شکل ‏3‑13: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 59

شکل ‏3‑14: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 59

شکل ‏3‑15: کانتور کرنش معادل قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 60

شکل ‏3‑16: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 60

شکل ‏3‑17: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 61

شکل ‏3‑18: کانتور تغییر شکل کلی قطعه فیمورال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 61

شکل ‏3‑19: کانتور تغییر شکل کلی قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی صفر درجه. 62

شکل ‏3‑20: کانتور تغییر شکل کلی قطعه تیبیال‌ترای با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در زاویه زانوی صفر درجه. 62

شکل ‏3‑21: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه. 63

شکل ‏3‑22: کانتور تنش ون مایزز قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی 15 درجه. 64

شکل ‏3‑23: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه. 64

شکل ‏3‑24: کانتور کرنش معادل قطعه تیبیال با اعمال شرط مرزی نوع دوم، در حالت زاویه زانوی 90 درجه. 65

شکل ‏3‑25: نمایش کرنش الاستیک- پلاستیک. 66

شکل ‏3‑26: کانتور تنش ون مایزز تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه و رفتار خطی ماده. 67

شکل ‏3‑27: کانتور کرنش معادل تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 15 درجه و رفتار خطی ماده. 67

شکل ‏3‑28: کانتور تنش ون مایزز تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه و رفتار خطی ماده. 68

شکل ‏3‑29: کانتور کرنش معادل تیبیال با شرط مرزی اول، در حالت زاویه زانوی 90 درجه و رفتار خطی ماده. 68

شکل ‏3‑30: تنش معادل ون مایزز تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در موقعیت‌های مختلف. 70

شکل ‏3‑31: کرنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در موقعیت‌های مختلف. 70

شکل ‏3‑32: تنش معادل ون مایزز تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 71

شکل ‏3‑33: کرنش پلاستیک معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 71

شکل ‏3‑34: کرنش الاستیک معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 72

شکل ‏3‑35: کرنش کلی معادل تیبیال، با فرض رفتار غیرخطی ماده در زاویه زانوی 140 درجه. 72

شکل ‏3‑36: توزیع تنش ون مایزز به ازای شعاع ساژیتال mm 40 و زاویه زانو صفر درجه [14]. 74

شکل ‏3‑37: تنش ون مایزز به ازای مقادیر گوناگون شعاع ساژیتال [14]. 74

شکل ‏3‑38: تنش برشی به ازای مقادیر گوناگون شعاع ساژیتال [14]. 75

شکل ‏3‑39: تنش ون مایزز به ازای مقادیر گوناگون زاویه زانو [14]. 75

شکل ‏3‑40: تنش برشی به ازای مقادیر گوناگون زاویه زانو [14]. 76

شکل ‏3‑41: مدل جدید تیبیال و تیبیال‌ترای. 77

شکل ‏3‑42: مدل جدید تیبیال، تیبیال‌ترای و فیمورال تحت زاویه زانوی 60 درجه. 77

شکل ‏3‑43: کانتور تنش مدل ویرایش شده 60 درجه با فرض رفتار خطی مواد تیبیال. 79

شکل ‏3‑44: کانتور تنش مدل ویرایش شده 140 درجه با فرض رفتار خطی مواد تیبیال. 79

شکل ‏3‑45: تنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده تیبیال در دو مدل ویرایش شده و مدل پروتز مد نظر. 80

شکل ‏3‑46: کرنش معادل تیبیال، با فرض رفتار خطی ماده در دو مدل ویرایش شده و مدل پروتز مد نظر. 80

شکل ‏4‑1: نمایش المان‌بندی با المان‌های درشت. 84

شکل ‏4‑2: نمایش المان‌بندی با المان‌های متوسط. 84

شکل ‏4‑3: نمایش المان‌بندی با المان‌های ریز. 85

شکل ‏4‑4: نمایش المان‌بندی با المان‌های مناسب… 85

شکل ‏4‑5: نمایش کانتور تنش ون مایزز تیبیال پروتز با المان‌های درشت برای زاویه زانو 60 درجه. 86

شکل ‏4‑6: نمایش کانتور تنش ون مایزز تیبیال پروتز با المان‌های ریز برای زاویه زانو 60 درجه. 86

شکل ‏4‑7: نمایش عدم وابستگی تنش ون مایزز به المان‌بندی پروتز زانو. 87

شکل ‏4‑8: کانتور تنش ون مایزز در پروتز زانو مشابه. 88

شکل ‏4‑9: کانتور تنش ون مایزز در پروتز زانو مورد نظر با زاویه زانو صفر درجه. 89

شکل ‏4‑10: مقایسه منحنی تنش- کرنش واقعی و منحنی تنش- کرنش استخراجی از شبیه‌سازی پروتز زانو. 90

 

فهرست جداول

جدول ‏1‑1: مشخصات مواد به کار گرفته شده در پروتز جانشین زانو [1]. 8

جدول ‏2‑1: مقدار نیروهای وارد بر مفصل زانو به ازای وزن‌های مختلف- حالت اول [16]. 29

جدول ‏2‑2: تحلیل نیروهای وارد بر مفصل زانو به ازای وزن‌های مختلف- حالت دوم [16]. 30

جدول ‏2‑3: بحرانی‌ترین حالت در موقعیت‌های مختلف فعالیت‌های روزمره [2] و [25]. 37

جدول ‏3‑1: مشخصات مواد به کار گرفته شده در پروتز جانشین زانو [1]. 49

جدول ‏3‑2: تنش- کرنش پلاستیک مواد به کار گرفته شده در پروتز زانوی مورد نظر [1]. 50

جدول ‏3‑3: نیروهای اعمالی بر سطح تیبیال در موقعیت‌های گوناگون. 55

جدول ‏3‑4: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو روش اعمال شرط مرزی. 65

جدول ‏3‑5: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد. 69

جدول ‏3‑6: مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با دو فرض خطی و غیر خطی بودن رفتار مواد. 78

1-1-پیشگفتار

تجربه از دست دادن يك عضو بسيار درنا‌ك و تلخ مي‌باشد. درك كامل اين حس تنها زماني ميسّر خواهد شد كه فرد يك عضو خود را از دست بدهد. پروتز وسيله‌اي است كه به منظور جايگزيني عضو از دست داده فرد معلو‌‌ل، طراحي و به كار گرفته مي‌شود. چاقي و بيشتر شدن عمر متوسط، تعداد کاشت‌هاي پروتز جایگزین زانو[1] را افزايش داده است. نكته مهم در طراحي و ساخت پروتز، تأ‌مين احساس راحتي براي فرد، قابليت اطمينان و دوام پروتز مي‌باشد. علت برتري پروتز‌ها نسبت به يكديگر را می‌توان در چگونگی برآوردن همين عوامل جستجو نمود چرا که طراحي نا‌منا‌سب پروتز می‌تواند به عضو باقيمانده و يا اندام‌هاي ديگر آسیب برساند. به دلیل بالا رفتن امید به زندگی و همچنین پایین رفتن سن افراد پذیرنده این گونه پروتزها، عمر قابل انتظار این‌گونه پروتزها می‌بایستی افزایش یابد. از این رو برای بهبود کیفیت آن‌ها تحقیقات بسیاری در حال انجام می‌باشد تا بتواند عمر مفید آن‌ها را به قدری افزایش دهد که فرد بیمار نیازمند جراحی‌های مکرر بعدی برای تعویض و ترمیم پروتز آسیب دیده نباشد.

با توجه به اهمیت افزایش عمر پروتزهای جایگزین زانو، در این پایان‌نامه بررسی تنش‌های وارد بر یک نمونه واقعی پروتز‌ جایگزین زانو که از پای یک پیرزن خارج شده، مد نظر می‌باشد تا بتوان از این طریق میزان کارایی پروتز زانوی مورد نظر را در موقعیت‌های گوناگون فعالیت‌های روزمره مورد مطالعه قرار داد. در این راستا، مدل سه بعدی پروتز مورد نظر با استفاده از نرم‌افزارهای مدل‌سازی (CAD) تهیه و سپس به روش المان محدود و با نرم‌افزار انسیس ورک‌بنچ شبیه‌سازی و مورد تحلیل استاتیکی غیر خطی (با توجه به غیر خطی بودن رفتار مواد سازنده پروتز) قرار خواهد گرفت. در این شبیه‌سازی، عملکرد مکانیکی پروتز در موقعیت‌های گوناگون بارگذاری و در بحرانی‌ترین حالت از فعالیت‌های روزمره مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

تعداد صفحه : 16

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

:        ****       info@elmyar.net

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :

 
 

مطالب مشابه را هم ببینید

 

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید