Experimentální testy a MKP analýzy pevnosti fixace šroubu v kostní tkáni

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá experimentálními testy a MKP analýzou pevnosti fixace šroubu v kostní tkáni. V úvodu je zpracována rešeršní studie týkající se odborných článků a ISO norem. Teoretická část poté detailně popisuje kostní tkáň, medicínské šrouby, používané pro fixaci, a PUR pěnu. Dále byly provedeny experimenty, které slouží k následné validaci MKP modelů. Experimentálním měřením byla tahová zkouška, která byla provedena dle příslušné normy ASTM F 543-02. Výsledkem této zkoušky byl průběh tahové síly v závislosti na posunutí šroubu. Pro experiment bylo užito dvou typů komerčně dostupných šroubů. Na základě těchto rozměrů jsou vytvořeny MKP modely dvou variant spojení šroubu s kostí. Hlavním cílem této práce je posouzení, zda je při modelování jakýchkoliv kostních šroubů pomocí MKP nutno přesně geometricky modelovat šroub s nepravidelným závitem či stačí vymodelovat pouze šroub se závitem ve tvaru válcové plochy (s rozměrem středního průměru závitu) při zachování vhodných interakcí či kontaktních podmínek. K určení deformačně napěťových závislostí je využito výpočtového modelování metodou konečných prvků (MKP) s využitím výpočtového systému ABAQUS.

This thesis deals with experimental tests and FE analysis of the strength of the screw fixation in bone tissue. The research study includes academic articles and ISO standards. The theoretical part then describes in detail the bone tissue, medical screws used for fixing, and PUR foam. In the experimental part were conducted experiments, which were used for the subsequent validation of the FE model. Tensile test (as the method of experimental measurement) was conducted according to the relevant standard ASTM F 543-02. The result of this test was the course of tensile force versus displacement of the screw. Two types of commercially available screws were used for this experiment. Based on length of these screws were created two FE models of the bolt connection with bone. The main objective of this thesis is to assess whether it is necessary to make an exact geometric model of a screw with an irregular thread or if it is sufficient modelling a screw with a regular cylindrical surfaced thread (with an extant of pitch diameter) while maintaining appropriate interactions and contact conditions during the FE modelling. To determine the stress-strain dependencies, computational modelling by finite element method (FEM) using computational system ABAQUS was used.