Numerical simulation of titanium alloy hip replacement implants behaviour under static and dynamic loads

Abstract

This paper presents development of numerical models for simulation of the behaviour of titanium alloy hip implants under static and dynamic loads, which is a part of extensive research involving the structural integrity of such implants under various loading conditions, as well as under exposure to aggressive environments. Numerical models were created in ABAQUS and ANSYS software packages, in order to determine the stress/strain distribution, the number of cycles to failure and stress intensity factors, for two different hip implant geometries. The ABAQUS models were used for static and ANSYS models for dynamic loads. The next stage in this analysis involved comparing these two cases, to determine the one with the better behaviour, depending on the exploitation conditions, which can greatly vary between different groups of patients. The targeted patient weight for all numerical simulations was 90 kg, while failure assessment diagrams were made for both implant geometries, assuming a crack length of 1 mm.

U ovom radu je prikazan razvoj numeričkih modela za simulaciju implantata za zamenu zgloba kuka pod statičkim i dinamičkim opterećenjima, kao deo širokog istraživanja koje uključuje procenu integriteta implantata kuka u različitim uslovima, kao što su zamor i korozija. Numerički modeli su napravljeni u ABAQUS i ANSYS softverskim paketima, u cilju procene distribucije napon/deformacija i broja ciklusa do loma, kao i vrednosti faktora intenziteta napona za dve različite geometrije implanta kuka. ABAQUS modeli su korišćeni za simulaciju pod statičkim, a ANSYS modeli za simulaciju pod dinamičkim opterećenjima. Sledeća etapa analize uključuje poređenje ova dva slučaja, kako bi se odredilo koja od ove dve geometrije pruža bolje ponašanje u eksploatacionim uslovima, a koje mogu značajno varirati zavisno od pacijenta. Simulacije su vršene za pacijenta mase 90 kg. Za ovu svrhu, dijagrami procene rizika su napravljeni za obe navedene geometrije, pod pretpostavkom da je dužina inicijalne prsline 1 mm.