基于有限元分析在接骨螺釘扭斷測試中的應用

Application of Finite Element Analysis in the Torque Fracture Testing of Bone Screws

FAN Sijie

（Shanghai Institute of Medical Device Testing）

Abstract： Objective： The paper aims todesign a fixture for testing the torsional fracture torque of metal bone screws with adiametergreaterthan or equal to 5mm ，and reduce the occurrence of slippage between the screwsand the fixture before the screwsfracture，therebyimproving the success rateofthe tests.Method：According to material mechanics formulas， it analyzesthereasons whythe fracture torque ofbone screws cannot be measured due to slippage phenomena.The finite elementnalysisisusedtostablshamodel，assignmaterialproperties，onductmeshgeneration，seaalysisstesand definecontactconstraintconditions，boundaryconditions，andloads.houghfniteelementanalysis，itanalyzestheuied clamping force （reaction force）when usinga thre-jaw chuck andafixture with edges athe same embedding depth to hold the screws，andconductscomparative tests onthe successrates oftwo clamping methods.Result： The finite element analysis shows that the fixture with edges is more labor-saving when holding screws，saving nearly halfof the clamping force.The successrateoftestsusingthethre-jawchuckislowerthanthatoftestsusingthefixture withedges tohold thescrews for torsionalfracture tests.Conclusion：Usingafixture withedges tohold screws fortorsional fracture testscanimprove the success rate of the tests.

Keywords： bone screws; finite element analysis; torsional fracture torque

綜上，具有棱邊的工裝夾具夾持時所需的加持力更小，應更容易的嵌入螺釘中，相同的夾持力嵌入螺紋的深度更深，切向的面積A徑更大，螺紋被夾持部分可承受的最大切向力F切向max越大，螺紋越不容易被破壞發生打滑現象。常用于螺釘扭斷測試夾持工裝夾具為三爪卡盤，三爪卡盤的夾持部分是平面不易嵌入螺釘，具有棱邊的工裝夾具在接觸部位考慮設計為棱邊，期望可以更容易的嵌入螺釘，避免螺紋被破壞發生打滑現象。

1.2基于有限元分析驗證工裝夾具

1.2.1幾何模型的構建

首先用UG軟件設計建立工裝夾具模型（如圖7所示），夾具由3個部件組成，考慮扭轉螺釘時方向的變化，及棱邊太薄容易引起強度不夠的問題，每個部件設計有兩條鈍角棱邊與螺釘接觸。3個夾具部件由螺釘連接，與三爪卡盤相比，可以提供更大的夾持力，并更容易嵌人螺釘。考慮用作有限元分析，對連接3個部件上的螺紋部分進行簡化處理。對三爪卡盤模型進行簡化處理，保留與螺釘接觸的部分。對螺釘進行簡化處理，除去螺釘頭部及尾部，保留夾持部位的螺釘桿部。

接下來模擬夾持方式，分別使用三爪卡盤模型和具有棱邊的工裝夾具模型夾住螺釘（如圖8所示），為接下來的有限元分析做準備。

1.2.2材料屬性設置

對螺釘、三爪卡盤及具有棱邊的工裝夾具進行材料的材料屬性賦值，如彈性模量、強度等，具體見表1 [4＼～5] 。

1.2.3網格設置

有限元分析能通過對離散單元的相互關系分析來反映整體結構的應力、應變。設置螺釘網格大小 .0.3mm ，工裝夾具網格大小 .0.5mm ，三爪卡盤共計288153節點、187，123單元數，具有棱邊夾具共計334，872節點、230，431單元數。

1.2.4設置分析步

分析步驟數量為1步，步驟結束時間為1s，自動步時設置為程序控制，關閉大變形，求解器控制及其他默認為程序控制。

1.2.5定義部件間接觸和約束

各部件間定義為接觸約束，定義類型為摩擦的，摩擦系數為0.2，行為、修剪接觸及其他高級設置幾何修改默認為程序控制。

1.2.6定義邊界條件和載荷

選擇螺釘的一個端面設置為固定支撐，分別對三爪卡盤及具有棱邊夾具的外側面施加位移，矢量方向為指向螺釘的徑向（如圖9所示）。

1.2.7有限元分析結果輸出與統計

輸出螺釘部件的夾持后的應力云圖如圖10所示，并輸出嵌入深度 0.1～0.5mm 過程中，每隔0.1mm時三爪卡盤及具有棱邊的工裝夾具各部件的支反力（夾持力）數值。

由支反力（夾持力）的數值（見圖11）可以得出，嵌入相同深度時，具有棱邊的工裝夾具更省力的結論。隨著嵌入深度的增加，三爪卡盤及具有棱邊的工裝夾具所需要的支反力（夾持力）在逐步增加。如同樣嵌人 0.5mm 的深度，三爪卡盤需要19.4kN 的夾持力，而具有棱邊的工裝夾具需要11.2kN 的夾持力，三爪卡盤的夾持力是具有棱邊工裝夾具的1.7倍，其余嵌入深度情況下，三爪卡盤的夾持力是具有棱邊工裝夾具的近乎2倍。由有限元分析的支反力結果，當嵌入相同深度的情況下，三爪卡盤需要的支反力更大，意味著具有棱邊的工裝夾具使用更小的力便可嵌人與三爪卡盤相同的深度，即具有棱邊的工裝夾具在夾持螺釘時更省力，可節省近一半的夾持力。

1.2.8有限元分析結果收斂性驗證

為保證分析結果的可靠性，有限元模型必須進行驗證[7-8]，對有限元分析結果進行收斂性驗證，結果見表2。對幾何體尺寸進行調整，改變幾何體單元尺寸，驗證最大等效應力的收斂度，收斂度使用各單元尺寸對應的最大等效應力與最小單元尺寸對應的最大等效應力的偏差進行評價，收斂度均在5% 以內，認為本次有限元計算結果具有收斂性。

2結果

依據標準方法[9-1]分別使用三爪卡盤及具有棱邊的夾具（如圖12所示）對直徑為 5.0mm ，長度規格為 40mm 和 |70mm 的接骨螺釘進行斷裂扭矩測試，測試后螺釘的狀態如圖13及圖14所示，并對比使用三爪卡盤及具有棱邊的工裝夾具的測試結果如表3所示。

測試結果得出，使用具有棱邊的工裝夾具進行螺釘的扭斷測試成功率更高，不易出現滑動的現象。

3結語

由近5年FDA官網公布的不良事件統計結果來看，接骨螺釘斷裂的不良事件占比最高，接骨螺釘的扭斷是其斷裂的一種情況，值得行業相關工作者關注。在接骨螺釘的扭斷測試中當直徑過大（ ?5mm ）時有夾持的螺紋部分失效而發生打滑的現象，不易測試出扭斷扭矩，導致不易量化接骨螺釘的抗扭斷性能，本文對于該情況，從理論分析著手，經有限元分析計算，最后對比使用三爪卡盤及具有棱邊的工裝夾具測試螺釘的扭斷扭矩，得出使用具有棱邊的工裝夾具進行螺釘的扭斷測試成功率更高，不易出現滑動的現象的結論。

本文設計出具有棱邊的工裝夾具相對于傳統三爪卡盤的夾持方式，在提高接骨螺釘扭斷測試的成功率上有一定的參考意義，但仍需對棱角的形態做進一步研究及加強實證部分的積累與分析。

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