Определение жесткостных характеристик аппарата внешний фиксации

В работе приведены результаты расчета жесткости аппарата внешней фиксации применяемого в рамках концепции трехплоскостной коррекции     пространственной     патологической     ориентации проксимального отдела бедренной кости с учетом стадии заболевания локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения. Была построена трехмерная параметрическая модель аппарата, проведены расчеты, на основе полученных результатов были даны рекомендации.

Биомеханика, аппарат внешний фиксации, ротационная остеотомия, жесткость.

Среди всех заболеваний тазобедренного сустава в детском возрасте, болезнь Легг-Кальве-Пертеса (БЛКП), по данным различных авторов, составляет 25-30% [8]. Чаще всего поражается один сустав, однако в 1020% случаев встречается двусторонняя форма [8]. В работе рассмотрен аппарат внешний фиксации применяемый в рамках концепции трехплоскостной коррекции пространственной патологической ориентации проксимального отдела бедренной кости с учетом стадии заболевания локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения (патент на изобретение №2440050 «Способ лечения болезни Пертеса»).

Возникающие нагрузки в суставе после проведенной остеотомии в первую очередь передаются на аппарат внешней фиксации, который должен обеспечить достаточную жесткость, в противном случае под действием сил [1, 4], возникающих в мышцах возможно флексия и обратная ротация в суставе, что может привести как ухудшению качества лечения, так и к вывиху [3,5,7].

Аппарат внешней фиксации представляет из себя объемную конструкцию, опорами которой являются стержни, соединение между которыми осуществляется за счет скоб и шпилек (см. рис. 1). Структурно аппарат можно разделить на две части: ротационную (часть L на рис. 1) и опорную (часть R на рис. 1). Угол между этими частями может варьироваться в зависимости от локализации заболевания и тактики оперативного вмешательства. Крепление между всеми составляющими конструкции осуществляется за счет резьбового соединения, к надежности этих соединений и предъявляются основные требования.

Рис. 1. Структурная схема аппарат внешней фиксации. a – вид сбоку, b – вид сверху, с – вид при ротации. 1 – стержень, 2 – скоба, 3 – шпилька, 4 – опоры.

В рамках работы была построена трехмерная параметрическая модель аппарата внешней фиксации для проведения ротационной остеотомии. Для построенной модели были выбраны различные расположения между ротационной и опорной частями и для этих положений была проведена конечно-элементная дискретизация. Для построенных расчетный моделей было определено напряженно-деформируемое состояние и проведена оценка жесткости конструкции в целом.

Модели деталей аппарата, как и сама модель аппарата была построена в программе NXSiemens. На рисунках ниже изображены модели деталей аппарата. Построенная модель позволяет моделировать различные положения конструкции. Для построенной модели было произведено конечно-элементное разбиение. В конечно-элементной модели были использованы два типа конечных элементов (КЭ): 4-ёх узловой тетраэдальный КЭ с линейной аппроксимацией и 4-ёх узловой гексагональный с линейно аппроксимацией. Тетраэдральный конечный элемент применялся для деталей с нерегулярной геометрией. В местах соединения деталей накладывались условия совместности узлов сетки. Методика расчета подробно изложена в работах [2, 6], ниже приведем основные соотношения.

В местах резьбовых соединений использовались условия контактного взаимодействия, методика расчета подробно описана в работе [6]. В работе были проведены расчеты на прочность и жесткость. Прочностная оценка производилась согласно теории Мизеса-Генки:

2                    2                    2        2       2       2

а

⁽ ° "11   ^ 22 ) + ( ^ 22   ^ 33 ) + ⁽ ^    ° 11 ) + У ° "12 + ^СТ 23 + ° 3У

Тогда критерий прочности будет: max( o i ) <  [ ст _г ]

Надежность узлов резьбовых соединений, обеспечивает жесткость всей конструкции. В этом случае выражение прочности соединения осуществляется согласно выражению:

max O max ) <  [ ^T cp ]

Расчеты проводились для различных величин угла между поворотной и опорной скобы (см. рис.1 позиции 2). По результатам расчетов производилась оценка прочности всей конструкции и резьбовых соединений. Силовая схема была следующей: перемещение опорных стержней жестко фиксировалось, а к поворотным стержням прикладывался единичный крутящий момент.

Расчеты конструкции показали, что самыми нагруженными участками конструкции являются места соединения шпилек с поворотной скобой (позиции 4R и 2R на рис. 1). Анализ напряженно-деформированного состояния конструкции показал, что большие напряжения возникают на шпильке в сторону которой осуществляется ротация, при этом этот стержень испытывает сжимающее, второй стержень напротив испытывает растяжение. В рамках анализа были рассмотрены максимальные значения интенсивности напряжений и максимальные касательные напряжения в местах соединения шпилек со скобой (позиции 4R и 2R на рис. 1) и стержнях (позиция 3 на рис. 1).

По результатам расчетов был определен допустимый крутящий момент, который возникает при эксплуатации конструкции и составил 15 Нм. Возникающие, при проведение оперативного вмешательства, эксплуатационные нагрузки зависят от тонуса мышц пациента и тактики ротации [1, 8]. Поэтому на основании полученных результатов было решено усилить крепежные узлы шпилек к скобе контргайками, что позволит увеличить жесткость и надежность аппарата.