MATHEMATICAL MODELING OF INTERLOCKING NAILS BY THE FINITE ELEMENT METHOD

Introduction. The implementation and using new types of orthopedic devices involves solving complex biomechanical, biophysical, technological problems. In this paper, we consider a mathematical model of a nail, described by the finite element method, and an imitation of phenomena occurring in this system over time.

Materials and methods. At the first stage we define and execute the 3D model geometry. Depending on the geometry type, we construct the model. At the second stage, it is necessary to determine the shape and size of the finite elements to be applied to the grid model. At the stage of specifying mechanical and strength properties, the composition of the material, its density, modulus of elasticity, and temperature of the system during the experiment are indicated. To implement the geometric model, two types of nails were chosen: the investigated elastic locking nail (sample 1) and the intramedullary interlocking nail ChM (sample 2). The mesh was partitioned using a standard procedure built into the SolidWorks software package.

Result. The minimum of stresses in sample 1 is 2200 times less than in sample 2. The maximum of stresses in sample 1 is 14 times smaller than stresses in sample 2. In sample 2, in a similar comparison, we obtain a maximum stress of 3.2 times less yield point. Thus, sample 1 has a significant margin of strength, which allows it to be used at high loads and, accordingly, for patients with a higher body weight.

In sample 1, the upper part undergoes minimal stresses, and the lower components are slightly loaded, but the distribution of stress along their entire length is uniform and much lower than in sample 2. The maximum stress falls on the lower part of nail where locking screw place is located. Such a distribution of stresses and their low values, in our opinion, are due to the peculiarity of the composite design of the sample 1.

Conclusion. Elastic locking nail has high strength and performance characteristics in comparison with the ChM’ nail.

Keywords: model of a nail, mathematical model, voltage, locking nail.

Yernar N. Tokhtarov 1, http://orcid.org//0000-0002-5166-243X

Marat А. Zhanaspayev 1, https://orcid.org//0000-0002-0610-0112

Aidos S. Tlemisov 1, http://orcid.org//0000-0002-4239-6627

Nurlan А. Bokembayev 1, http://orcid.org//0000-0003-4140-1831

Lyudmila А. Yerygina 2, http://orcid.org//0000-0002-6126-1381

Ayan О. Myssayev 1, http://orcid.org//0000-0001-7332-4856

1 Semey State Medical University,

Semey c., Kazakhstan;

2 National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan,

Curchatov c., Kazakhstan.

Литература:

  1. Аверилл М. Лоу, В.Дэвид Кельтон Имитационное моделирование – СS. 3-е издание.– СПб.: Питер. 2004. 847 с.

  2. Алямовский А.А. Инженерный анализ методом конечных элементов.– М.: SolidWorks/COSMOSWorks. ДМК Пресс, 2004. 432 с.

  3. Берлин А.А., Балабаев Н.К. Имитация свойств твердых и жидких тел методами компьютерного моделирования // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 11. С. 85-92.

  4. Бушманов А.В., Еремин Е.Л. Методика имитационного моделирования механического поведения фиксирующих устройств в травматологии // Вестник ТОГУ. 2009. № 4 (15). С. 61-70.

  5. Верховодов А.Ю., Иванов Д.В. Применение метода конечных элементов для сравнительной оценки стабильности остеосинтеза оскольчатых диафизарных переломов костей голени блокируемыми интрамедуллярными стержнями и аппаратами наружной фиксации // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. http://science-education.ru/ru/article/view?id=6905

  6. Жанаспаев М.А., Мысаев А.О., Бахтыбаев Д.Т., Зейнеев Р.Т., Сурков С.В., Токтаров Е.Н. Евразийский патент на изобретение №020632 «Эластичный штифт для блокирующего остеосинтеза перелома длинной трубчатой кости» от 30.12.2014 г.

  7. Князева А.Г. Теплофизические основы современных методов металлообработки: пособие для подготовки курсовых проектов по курсу лекций portal.tpu.ru:7777/SHARED/a/AGKNYAZEVA/predmet/Tab2/posobie.pdf

  8. Левадный Е.В., Дзюба А.П. Конечноэлементное моделирование состояния бедренной кости при переломах проксимального отдела, фиксируемого различными конструкциями // Проблеми обчислювальноi механіки і міцності конструкцій. 2014. Вып. 23. С. 85-95.

  9. Марченко В.М., Можей Н.П., Шинкевич Е.А. Эконометрика и экономико-математические методы и модели. В 2 ч. Ч. 2. Учеб. пособие для студентов учреждений высшего образования по экономическим специальностям.– Минск: БГТУ, 2012.– 214 с.

  10. Никифоров Р.Р., Куценко С.Н., Костандов Ю.А. и др. Механико-математическая модель системы металлоостеосинтеза и расчет ее напряженно-деформированного состояния // Травма. 2013. Т.14. № 13. С. 43-51.

  11. Рубникович С.П., Наумович С.А. Методы определения напряженно-деформационного состояния твердых тканей зубов и ортопедических конструкций // Медицинский журнал. 2008. № 1. https://medmag.bsmu.by/category23/article1093/

  12. Ситник А.А., Ковеня А.С., Ковеня Т.А., Чернышев Д.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния системы «большеберцовая кость – фиксатор» // Механика машин, механизмов и материалов. 2012. № 1 (18). С. 90-95.

  13. Ямщиков О.Н. Компьютерное моделирование в травматологии и ортопедии (обзор литературы) // Вестник ТГУ. 2014. Т.19, вып.6. С. 1974-1979.

  14. Duan Y., Wang H.H., Jin A.M. et al. Finite element analysis of posterior cervical fixation // Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 2015. Vol.101. PP. 23–29.

  References:

1. Averill M. Lou, V.Devid Kel'ton Imitatsionnoye modelirovaniye [Simulation modeling CS]. 3-ye izdaniye.– SPb. [3rd edition .- SPb ].: Piter. 2004. 847 p.

2. Alyamovskiy A.A. Inzhenernyy analiz metodom konechnykh elementov. – M. SolidWorks / COSMOSWorks.- Moscow: DMK Press. DMK Press, 2004.  432 p.

3. Berlin A.A., Balabayev N.K. Imitatsiya svoystv tverdykh i zhidkikh tel metodami komp'yuternogo modelirovaniya [Simulation of the properties of solid and liquid bodies using computer simulation methods]. Sorosovskiy obrazovatel'nyy zhurnal [Soros Educational Journal]. 1997. № 11.pp. 85-92.

4. Bushmanov A.V., Yeremin Ye.L. Metodika imitatsionnogo modelirovaniya mekhanicheskogo povedeniya fiksiruyushchikh ustroystv v travmatologii [The method of simulation simulation of the mechanical behavior of fixing devices in traumatology]. Vestnik TOGU [Bulletin of the Tajik State University]. 2009. № 4 (15). pp. 61-70.

5. Verkhovodov A.YU., Ivanov D.V. Primeneniye metoda konechnykh elementov dlya sravnitel'noy otsenki stabil'nosti osteosinteza oskol'chatykh diafizarnykh perelomov kostey goleni blokiruyemymi intramedullyarnymi sterzhnyami i apparatami naruzhnoy fiksatsii [The application of the finite element method for a comparative evaluation of the stability of osteosynthesis of comminuted diaphyseal fractures of the shin bones with blocked intramedullary rods and external fixation apparatuses]. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education]. 2012. № 4. http://science-education.ru/ru/article/view?id=6905 [in Russian]

6. Zhanaspayev M.A., Myssayev A.O., Bakhtybayev D.T., Zeyneyev R.T., Surkov S.V., Toktarov Ye.N. Yevraziyskiy patent na izobreteniye №020632 «Elastichnyy shtift dlya blokiruyushchego osteosinteza pereloma dlinnoy trubchatoy kosti» [Eurasian patent for invention №020632 «Elastic pin for blocking osteosynthesis of a fracture of a long tubular bone». 30.12.2014 g.

7. Knyazeva A.G. Teplofizicheskiye osnovy sovremennykh metodov metalloobrabotki. Posobiye dlya podgotovki kursovykh proyektov po kursu lektsiy [Thermophysical fundamentals of modern metal working methods. A manual for preparing course projects on the course of lectures]. portal.tpu.ru:7777/SHARED/a/AGKNYAZEVA/predmet/Tab2/posobie.pdf

8. Levadnyy Ye.V., Dzyuba A.P. Konechnoelementnoye modelirovaniye sostoyaniya bedrennoy kosti pri perelomakh proksimal'nogo otdela, fiksiruyemogo razlichnymi konstruktsiyami [Finite element simulation of the condition of the femur with fractures of the proximal part, fixed by various constructs]. Problemi obchislyuval'noi mekhaníki í mítsností konstruktsíy [Problems of the Calculation of Mechanisms and Design]. 2014. Vyp. 23. pp. 85-95.

9. Marchenko V.M., Mozhey N.P., Shinkevich Ye.A. Ekonometrika i ekonomiko-matematicheskiye metody i modeli. V 2 ch. CH. 2 [Econometrics and economic-mathematical methods and models. In 2 hours Part 2].– Minsk: BGTU, 2012.– 214 pp.

10. Nikiforov R.R., Kutsenko S.N., Kostandov YU.A. i dr. Mekhaniko-matematicheskaya model' sistemy metalloosteosinteza i raschet yeye napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya [A mechanic-mathematical model of the system of metal-osteosynthesis and calculation of its stress-strain state]. Travma. 2013. T.14. № 13.pp. 43-51.

11. Rubnikovich S.P., Naumovich S.A. Metody opredeleniya napryazhenno-deformatsionnogo sostoyaniya tverdykh tkanei zubov i ortopedicheskikh konstruktsii [Methods for determining the stress-strain state of hard tissues of teeth and orthopedic structures]. Meditsinskii zhurnal [Medical Journal]. 2008. № 1. https://medmag.bsmu.by/category23/article1093/ [in Russian]

12. Sitnik A.A., Kovenya A.S., Kovenya T.A., Chernyshev D.A. Modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya sistemy «bol'shebertsovaya kost' – fiksator» [Modeling of the stress-strain state of the system "tibia-fixator"]. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov [Mechanics of machines, mechanisms and materials]. 2012. № 1 (18). pp. 90-95. [in Russian]

13. Yamshchikov O.N. Komp'yuternoye modelirovaniye v travmatologii i ortopedii (obzor literatury) [Computer modeling in traumatology and orthopedics (review of the literature)]. Vestnik TGU [Vestnik TSU]. 2014. T.19, vyp.6. pp. 1974-1979. [in Russian]

14. Duan Y., Wang H.H., Jin A.M. et al. Finite element analysis of posterior cervical fixation. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 2015. Vol.101. PP. 23–29.

Number of Views: 1507


Bibliography link

Tokhtarov Ye.N., Zhanaspayev M.А., Tlemisov A.S., Bokembayev N.А., Yerygina L.А., Myssayev A.О. Mathematical modeling of interlocking nails by the finite element method. Nauka i Zdravookhranenie [Science & Healthcare]. 2017, 6, pp. 101-115.


Авторизируйтесь для отправки комментариев