Инициация повреждений в пространственно-армированном материале ацетабулярного компонента эндопротеза
Автор: Шавшуков В.Е., Разумовский Е.С.
Статья в выпуске: 1, 2026 года.
Бесплатный доступ
Пространственно-армированные композиционные материалы с взаимно ортогональным расположением волокон сравнительно редко применяются в несущих конструкциях. Причиной тому низкая жесткость и прочность при сдвиге в плоскостях ортотропии. Это особенно существенно в композитах с пироуглеродной матрицей, прочностные характеристики которой существенно ниже соответствующих величин конструкционных полимерных связующих. Однако в некоторых ответственных конструкциях или их элементах вследствие особенностей геометрической формы и других причин использование ортогонального армирования становится предпочтительным. Одной из таких конструкций является ацетобулярный компонент эндопротеза тазобедренного сустава, представляющий собой половину полого шара, нагруженного по внутренней и наружной поверхностям контактным давлением. Для изготовления этого компонента по медико-биологическим причинам применяются углерод-углеродные композиты (УУКМ), а шаровая симметрия диктует ортогональное армирование в сферической системе координат. Слабым звеном является поликристаллическая пироуглеродная матрица, с повреждения которой чаще всего начинается разрушение углеродных композитов. В представленной работе исследуется инициация повреждений в ацетобулярном компоненте из ортогонально армированного УУКМ. Анализ на основе простых инженерных макроскопических критериев прочности показывает, что при нагрузках на конструкцию эндопротеза до 3000 Н в матрице не должно быть разрушений. Однако на масштабном уровне отдельных зерен реализуются сильно флуктуирующие мезонапряжения, амплитуда которых может намного превосходить величину макронапряжений. В работе выполнен анализ стохастических мезонапряжений в зернах матрицы в наиболее нагруженных зонах углерод-углеродного композита. Показано, что повреждения в зернах начинаются уже с нагрузки 2208 ньютонов. Анализ проведен с помощью метода интегральных уравнений для мезодеформаций. Построены плотности вероятностей распределения мезонапряжений, по которым вычислены вероятности различных возможных типов повреждений как функций общей нагрузки на эндопротез. Показано, что в отношении инициации повреждений рассмотренная конструкция ацетобулярного компонента обладает большей надежностью, чем традиционно применяемый в клинической практике стэм (ножка) эндопротеза из однонаправленного УУКМ.
Инициация повреждений, вероятность повреждения, неоднородная структура материала, ацетобулярный компонент эндопротеза, повреждения зерен пироуглеродной матрицы
Короткий адрес: https://sciup.org/146283360
IDR: 146283360 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2026.1.10
Damage initiation in the spatially reinforced material of the acetabular component of an endoprosthesis
Spatially reinforced composite materials with mutually orthogonal fiber arrangements are relatively rarely used in load-bearing structures. This is due to their low stiffness and shear strength in the orthotropic planes. This is especially significant in composites with a pyrocarbon matrix, whose strength characteristics are significantly lower than those of structural polymer binders. However, in certain critical structures or their components, due to geometrical features and other factors, the use of orthogonal reinforcement is preferable. One such structure is the acetobular component of a hip joint endoprosthesis, which is half a hollow sphere loaded on its inner and outer surfaces by contact pressure. For biomedical reasons, carbon-carbon composites (CCCMs) are used to manufacture this component, and spherical symmetry dictates orthogonal reinforcement in a spherical coordinate system. The weak point is the polycrystalline pyrocarbon matrix, damage to which most often initiates failure of carbon composites. This paper examines damage initiation in an acetabular component made of orthogonally reinforced CCCM. Based on simple engineering macroscopic strength criteria, the matrix should not fail under loads of up to 3000 N on the endoprosthesis structure. However, at the scale of individual grains, highly fluctuating mesostresses are realized, the amplitude of which can significantly exceed the magnitude of macrostresses. This paper analyzes stochastic mesostresses in matrix grains in the most heavily loaded zones of the carbon-carbon composite. It is shown that damage in the grains begins with a load of 2208 Newtons. The analysis was conducted using the method of integral equations for mesodeformations. Probability densities of the mesostress distribution were constructed, from which the probabilities of various possible damage types were calculated as functions of the overall load on the endoprosthesis. It has been demonstrated that the acetabular component design under consideration is more reliable in terms of damage initiation than the unidirectional carbon fiber composite (CCM) endoprosthesis stem (liner) traditionally used in clinical practice.
