МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛОКИРУЕМЫХ ШТИФТОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Authors: Е.Н. Токтаров , М.А. Жанаспаев , А.С. Тлемисов , Н.А. Бокембаев , Л.А. Ерыгина , А.О. Мысаев 
Published: November 2024

Введение. Внедрение и использование новых типов ортопедических конструкций предполагает решение сложных биомеханических, биофизических, технологических проблем. В настоящей статье рассматривается математическая модель штифта, описанная с помощью метода конечных элементов, и имитация явлений, происходящих в этой системе с течением времени. Материалы и методы. На первом этапе определяем и выполняем геометрию 3D модели. В зависимости от выбора геометрии проводим построение модели. На втором этапе необходимо определить форму и размеры конечных элементов для наложения на модель расчетной сетки. На этапе задания механических и прочностных свойств указываютсясостав материала, его плотность, модуль упругости, температура системы во время эксперимента. Для реализации геометрической модели были выбраны два вида штифтов: исследуемый эластичный блокируемый штифт (образец1) и блокируемый интрамедуллярный стержень фирмы ChM (образец 2). Разбиение сетки проводили стандартной процедурой, встроенной в программный пакет SolidWorks. Результат. Минимальное значение напряжения в образце 1 в 2200 раз меньше, чем в образце 2. Максимальное значение напряжения в образце 1 в 14 раз меньше по сравнению со значением в образце 2. В образце 2, при аналогичном сравнении, получаем максимальное напряжение в 3,2 раза меньшее предела текучести. Таким образом, образец 1 обладает значительным запасом прочности, что позволяет использовать его при больших нагрузках и, соответственно, применять для пациентов с большей массой тела. В образце 1 верхняя часть испытывает минимальные напряжения, а нижние составные части нагружены немного больше, однако распределение напряжение по всей их длине равномерное и на порядок ниже, чем в образце 2. Максимальное напряжение приходится на нижнюю часть в месте крепления штифта блокирующим винтом. Такое распределение напряжений и их невысокие значения, по нашему мнению, связаны с особенностью составной конструкции образца 1. Заключение. Эластичный блокирующий штифт обладает повышенными прочностными и эксплуатационными характеристиками по сравнению состержнем фирмы ChМ.

Introduction. The implementation and using new types of orthopedic devices involves solving complex biomechanical, biophysical, technological problems. In this paper, we consider a mathematical model of a nail, described by the finite element method, and an imitation of phenomena occurring in this system over time. Materials and methods. At the first stage we define and execute the 3D model geometry. Depending on the geometry type, we construct the model. At the second stage, it is necessary to determine the shape and size of the finite elements to be applied to the grid model. At the stage of specifying mechanical and strength properties, the composition of the material, its density, modulus of elasticity, and temperature of the system during the experiment are indicated. To implement the geometric model, two types of nails were chosen: the investigated elastic locking nail (sample 1) and the intramedullary interlocking nail ChM (sample 2). The mesh was partitioned using a standard procedure built into the SolidWorks software package. Result. The minimum of stresses in sample 1 is 2200 times less than in sample 2. The maximum of stresses in sample 1 is 14 times smaller than stresses in sample 2. In sample 2, in a similar comparison, we obtain a maximum stress of 3.2 times less yield point. Thus, sample 1 has a significant margin of strength, which allows it to be used at high loads and, accordingly, for patients with a higher body weight. In sample 1, the upper part undergoes minimal stresses, and the lower components are slightly loaded, but the distribution of stress along their entire length is uniform and much lower than in sample 2. The maximum stress falls on the lower part of nail where locking screw place is located. Such a distribution of stresses and their low values, in our opinion, are due to the peculiarity of the composite design of the sample 1. Conclusion.Elastic locking nail has high strength and performance characteristics in comparison with the ChM’ nail.

Кіріспе. Ортопедиялық құрылғылардың жаңа түрлерін ойлап шығару және оларды қолданысқа енгізу көптеген қиын биомеханикалық, биофизикалық және технологиялық мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Осы мақалада соңғы элемент әдісі көмегімен берілген бір уақыт барысында осы жүйеде жүргізілген имитациясы сипатталатын штифттің математикалық моделі қарастырылуда. Материалдар және әдістер. Бірінші этаппен 3D модельдің геометриясын анықтаймыз және оны орындаймыз. Геометрияны таңдау барысында модельді құраймыз. Екінші этаппен модельге есептеу торшасын құру үшін соңғы элементтің формасы мен көлемін анықтап алуымыз керек. Механикалық және беріктік қасиетін анықтау этапы кезінде материалдың құрамы, тығыздығы, төзімділік модулі, эксперимент кезіндегі жүйенің температурасы көрсетілуі қажет. Геометриялық модельді жүзеге асыру үшін штифттердің екі түрі таңдалып алынды: зерттелініп отырған эластикалық құлыптымалы штифт (үлгі 1) жәнеChM фирмасының интрамедуллярлы құлыптымалы штифті (үлгі 2). Торшаларға бөлу SolidWorks бағдарламалы пакетінде орнатылған стандартты рәсім арқылы жүргізілді. Нәтижесі. Кернеудің минимальді көрсеткіші 1 үлгіде 2 үлгіге қарағанда 2200 есе аз. Кернеудің максимальді көрсеткіші 1 үлгіде 2 үлгіге қарағанда 14 есе аз. Осындай салыстыру нәтижесінде 2 үлгіде кернеудің максимальді көрсеткішіне байланысты оның беріктігі 3,2 есе төмен екенін көрсетеді. Сонымен, 1 үлгінің мықтылығы орасан зор болуына байланысты оны өте ауыр жүктемелерде қолдануға мүмкіндік береді. Яғни, аталған құрылғыны дене массасы ауыр науқастарға кеңінен қолдануға болады. 1 үлгіде жоғарғы бөлігі минимальді кернеуді өзіне алады, ал төменгі жағы оған қарағанда көбірек жүктеме қабылдайды, бірақ кернеудің таралуы 2 үлгіге қарағанда барлық жерінде бірдей. Максимальді кернеу төменгі жағына, яғни, штифт пен құлыптамалы бұранда жанасқан жеріне келеді. Кернеудің бұлай таралуы және аса мағынасыз болуы біздің ойымызша 1 үлгідегі құрылғының ерекшелігіне байланысты. Қорытынды. Эластикалық құлыптамалы штифт ChМ фирмасының штифтіне қарағанда жоғары беріктілік қасиетімен және пайдалануға оңай болуымен ерекшеленеді.