О возможности применения программы COMSOL Multiphysics для топологической оптимизации пластин для остеосинтеза
Another Title
On Possibility of Application of COMSOL Multiphysics Software for Topological Optimization of Osteosynthesis Plates
Bibliographic entry
О возможности применения программы COMSOL Multiphysics для топологической оптимизации пластин для остеосинтеза = On Possibility of Application of COMSOL Multiphysics Software for Topological Optimization of Osteosynthesis Plates / Д. А. Степаненко [и др.] // Наука и техника. – 2023. – № 5. – С. 376-386.
Abstract
В статье описана методика топологической оптимизации пластин для остеосинтеза, применяемых для внутренней фиксации переломов костей. Представленная методика основана на применении метода плотности и коммерчески доступного программного обеспечения COMSOL Multiphysics, предназначенного для моделирования с помощью метода конечных элементов. Проведен сравнительный анализ характеристик (продольной жесткости, объема и максимального напряжения, по Мизесу) базовой конструкции пластины и двух оптимизированных вариантов. Установлено, что оптимизированные варианты обеспечивают снижение объема пластины на 49–54 %. При этом продольная жесткость уменьшается на 43–53 %, что является положительным эффектом с точки зрения минимизации эффекта экранирования напряжений. Оптимизированные варианты конструкции имеют близкие значения продольной жесткости и максимального напряжения, по Мизесу, однако в одном из них возникает прогиб продольных сегментов, приводящий к повышению полной энергии деформации, которая используется в качестве целевой функции при оптимизации. В варианте 2 конструкции прогиб продольных сегментов пластины исключается за счет наличия поперечной перемычки между ними и полная энергия деформации принимает более низкое значение. Вариант конструкции без перемычки требует дополнительного исследования, так как сдвиговые напряжения, возникающие в результате контактного взаимодействия продольных сегментов пластины с костью, могут оказывать положительное влияние на регенерацию костной ткани.
Abstract in another language
Тhe paper describes a technique of topological optimization of osteosynthesis plates used for internal fixation of bone fractures. The proposed technique is based on the application of the density method and the commercially available COMSOL Multiphysics software intended for finite element modeling. A comparative analysis of the characteristics (axial stiffness, volume and maximum von Mises stress) is presented for initial design of the plate and two optimized variants of the design. It has been established that the optimized variants provide a reduction in the plate volume by 49–54 %. In this case, the axial stiffness decreases by 43–53 %, which is a positive effect in terms of minimizing the effect of stress shielding. The optimized variants of the design possess close values of axial stiffness and maximum von Mises stress, however, in one of them, deflection of the axial segments occurs, resulting in an increase in the total strain energy, which is used as an objective function during optimization. In the variant 2 of the design, the deflection of the longitudinal segments of the plate is eliminated due to the presence of a transverse bridge between them, and the total strain energy takes on a lower value. The variant of the design without a bridge should be additionally studied, since shear stresses resulting from the contact interaction of the longitudinal segments of the plate with the bone can have a positive effect on regeneration of the bone tissue.
View/
Collections
- № 5[10]