[活用事例] Simpleware SoftwareとLS-DYNAの連携による強度解析 - 人工膝関節モデル

モデル化手順

• 人工関節をCT撮影し、そのDICOMデータをScanIPでインポートしモデル化。
• 大腿骨コンポーネントとポリエチレンインサートそれぞれをSTLに変換。
• STLをCAD Moduleで読み込み屈曲角度の調整。次にScanIPデータに出力後、+FEでメッシュを生成。

製品A（小型フラット）の衝突を模擬

過伸展によるポスト前方面の衝突を模擬

・屈曲角度　-10°
・適用荷重　500, 1000 Ｎ

深屈曲によるポスト後方面の衝突を模擬

・屈曲角度　120°
・屈曲角度　120°+インサート 10°内旋
・適用荷重　500, 1000 N

ポスト表面の圧力分布を有限要素解析と力学試験で比較を行い、表面圧の最大値は実測値と有限要素解析の値においてほぼ一致したことを確認し、ミーゼス相当応力やせん断ひずみを求める解析を実施されました。

過伸展（屈曲-10°）によるポスト前方面のミーゼス相当応力分布と最大値

500 N負荷においては降伏応力の30 MPaを下回り、500 Nの力（日常的な動作）では破損が起きる可能性は低いと考えられる。1000 N負荷では全機種で降伏応力を超えるミーゼス相当応力が生じ、形状にかかわらずポスト前方面に1000 Nの力（ジョギング等のスポーツ）が発生することは危険と推測される。

深屈曲（屈曲120°）+内旋10°によるポスト後方面のミーゼス相当応力分布と最大値

屈曲120°に内旋が加わるとミーゼス相当応力が上昇。特に製品AとCはポストがフラット形状なためインサートの内旋によりポストの端部に応力が集中した。1000 N負荷で製品Aは30 MPaを超えた。小型フラット形状のポストは、後方面においても塑性変形を起こし破損するリスクが考えられる。

最大せん断ひずみ

製品Bは、ポストがカーブ形状なため接触面積の低下がわずかで内旋が加わってもミーゼス相当応力の上昇が小さかった。製品BとCは、屈曲120°+内旋10°でも30 MPa以下でポスト後方面において破損の可能性は低いと推測される。

解析結果

以上の結果から、1000 Nの力がポスト前方面に加わると、塑性変形を起こし、破損が起きると考えられ、またポストの後方面はカーブ形状であることが望ましいとわかりました。

人工膝関節のポストにおいて、ミーゼス相当応力が超高分子量ポリエチレンの降伏応力を下回っていること、またはせん断ひずみが0.1を超えないことがポストの強度設計の基準となると考えられる結果を得られました。