Page 81 - 《摩擦学学报》2021年第1期

78 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

型[图1(c)]两款球窝结构人工颈椎间盘. 两款产品设计 数统计规律，利用SolidWorks软件建立假体三维几何
思路一致：包含上终板、髓核和下终板三部分，倒齿实 模型，并导入有限元软件建立有限元模型. 其中选取
现短期固定，相同尺寸系列和足印面形状. 但髓核形 的滑动型假体关节面参数如下：球头半径为16.0 mm，
状和髓核固定方式具有差异：固定型的髓核与下终板 球窝间隙为10 μm，球缺高度为1.2 mm. 固定型假体关
通过过盈配合固定在一起，属于固定旋转中心设计； 节面参数如下：球头半径为13.0 mm，球窝间隙为10 μm，
滑动型则通过下终板的4个限位柱实现前后和左右平 球缺高度为0.7 mm. 上下终板和髓核材料分别采用
移，属于非固定旋转中心设计，从而在运动上更符合 Ti6Al4V、UHMWPE，划分网格采用0.5 mm的四面体
颈椎正常生理功能. 单元，参考ISO 18192-1标准，采用大小均为50 N的两
1.2 应力变形特征分析 个轴向载荷分别作用在上下终板与椎体接触面上. 在
根据前期研究结论，假体磨损特征和分布与接触 边界条件方面，由于假体通过上下倒齿与椎体实现短
应力大小和分布紧密相关 [18-19] . 采用有限元分析法开 期固定且承载面为上下终板与椎体的接触面，在实际
展上述两款不同设计理念产品的静力学分析，在Ansys 服役过程中会随椎体一起运动，因此两款假体均不设
workbench R15.0软件静态环境下，重点对比接触应力 置固定面；考虑到固定型的髓核与下终板通过过盈配
(Equivalent (Von-Mises) stress)和变形(Total deformation) 合固定在一起，因此设置为“Bonded”类型，髓核与上
的数值和分布特征. 研究流程为三维几何建模、有限 终板接触面则设置为“No Separation”类型，相应地，
元建模、定义材料属性、划分网格、载荷与边界条件、 滑动型的髓核与上下终板接触面则均设置为“No
求解(图2). 根据前述数据库的前高、中高、椎间角等参 Separation”类型.

(a) (b) (c)
B

A

0 10 20 mm 0 5 10 mm 0 5 10 mm
2.5 7.5
5 15 2.5 7.5
Fig. 2 3D model (a), grid generation (b) and load and boundary condition diagram (c) of artificial cervical disc
图 2 人工颈椎间盘的三维模型(a)、网格划分(b)和载荷与边界条件图(c)

1.3 基于应力的关节面摩擦学优化设计 表 1 基于应力分析的因素与水平分布表

依据上终板球窝和髓核球头构成的摩擦关节面， Table 1 Distribution table of factors and levels based on
选取球头半径、球窝间隙和球缺高度3个参数进行优 contact stress analysis

化设计，其中球头半径为髓核球体的半径，球窝间隙 Radial Hemispherical
Level/Factor Ball radius/mm
指上终板球窝和髓核球头的径向间隙，球缺高度定义 clearance/μm height/mm
Level 1 10.0 10 0.6
为上终板下表面至上终板球窝最深处的垂直距离. 根 Level 2 13.0 50 0.9
据数据库统计规律，上述参数的范围分别为半径10.0~ Level 3 16.0 100 1.2
16.0 mm、间隙10~100 μm和高度0.6~1.2 mm. 采用正
交试验法优化关节面参数，依据髓核滑动型假体的最 中第4列无数据. 有限元分析完成后，使用 Minitab软
大应力数值评估结果，理论上应力数值越小磨损越小. 件对所有组数据进行田口分析，统计各试验组数据优
试验流程包括变量确定、正交试验表制定、有限元分 劣，排序后找出最佳试验组及各因素权重水平.
析和田口分析. 采用表1中所列出的三因素三水平分 1.4 基于润滑性能的关节面摩擦学优化设计
布表：半径分为10.0、13.0和16.0 mm，间隙分为10、50 利用润滑膜厚度模型计算球窝结构人工颈椎间
和100 μm，高度分为0.6、0.9和1.2 mm. 按照L (3 )正交 盘润滑状态，流程如下：
4
9
试验表进行的试验分组列于表2中，共有9组试验，其 首先计算λ值，当0.1<λ<1时处于边界(薄膜)润滑