ПОРІВНЯННЯ СКІНЧЕННО-ЕЛЕМЕНТНИХ СІТОК У РАЗІ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ КОЛІННОГО СУГЛОБА ТА АНАЛІТИЧНА ВАЛІДАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ

Автор(и)

  • О. С. Мусієнко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0001-8255-3909
  • А. М. Сивак Державна установа «Інститут травматології та ортопедії Національної академії медичних наук України», Київ https://orcid.org/0000-0001-7241-0461
  • О. М. Сулима Державна установа «Інститут травматології та ортопедії Національної академії медичних наук України», Київ https://orcid.org/0000-0002-1314-8915
  • Д. С. Дейлід Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0009-0004-2480-6794
  • Б. Ю. Красько Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0009-0002-4954-5135

DOI:

https://doi.org/10.31649/1997-9266-2026-186-3-79-86

Ключові слова:

колінний суглоб, метод скінченних елементів, ANSYS, SolidWorks, статичний аналіз, меніск, зв’язки, напруження за Мізесом, жорсткість, аналітична валідація

Анотація

Досліджено вплив параметрів скінченно-елементної дискретизації на точність і обчислювальну ефективність чисельного моделювання колінного суглоба людини у статичній постановці осьового стиску, що відповідає положенню тіла під час спокійного стояння. Колінний суглоб є одним з найнавантаженіших і травмонебезпечних елементів опорно-рухового апарату, а достовірне відтворення його напружено-деформованого стану має важливе значення для задач біомеханіки, ортопедії та реабілітаційної інженерії. Метод скінченних елементів широко застосовується для аналізу таких систем, проте результати моделювання суттєво залежать від типу, щільності та якості скінченно-елементної сітки, що потребує окремого кількісного обґрунтування. Геометричну модель колінного суглоба побудовано в середовищі SolidWorks на основі даних комп’ютерної томографії з урахуванням основних анатомічних компонентів: стегнової та великогомілкової кісток, меніска та зв’язкового апарату. Чисельні розрахунки виконано в ANSYS (Static Structural) для сценарію прикладання осьового навантаження величиною 750 Н. У роботі порівняно три варіанти тетраедричних скінченно-елементних сіток з кількістю елементів 30001, 501090 та 1006936. Якість дискретизації оцінювали за метриками Skewness та Orthogonal Quality з локальним згущенням елементів у зонах потенційної концентрації напружень. Для кожного варіанта сітки проаналізовано переміщення вздовж осі навантаження, еквівалентні напруження за Мізесом у меніску та зв’язках, а також часові витрати обчислень на фіксованій апаратній конфігурації. З метою незалежної перевірки достовірності чисельних результатів виконано аналітичну валідацію шляхом подання системи «меніск–зв’язки» у вигляді еквівалентної пружинної моделі з паралельним з’єднанням елементів та використанням закону Гука. Показано, що сітка з кількістю елементів близько 5,0×10⁵ забезпечує оптимальний компроміс між точністю та обчислювальною складністю: відхилення чисельних переміщень від аналітичної оцінки становить близько 4,5 %, тоді як подальше згущення сітки до понад 106 елементів не призводить до помітного підвищення точності, але суттєво збільшує час розрахунку. Отримані результати підтверджують доцільність керованого проєктування скінченно-елементної сітки у біомеханічних задачах колінного суглоба та можуть бути використані як практична рекомендація для побудови ефективних чисельних моделей.

Біографії авторів

О. С. Мусієнко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»

д-р філософії, старший викладач кафедри динаміки і міцності машин та опору матеріалів

А. М. Сивак, Державна установа «Інститут травматології та ортопедії Національної академії медичних наук України», Київ

лікар ортопед-травматолог відділу пошкоджень опорно-рухового апарату та проблем остеосинтезу

О. М. Сулима, Державна установа «Інститут травматології та ортопедії Національної академії медичних наук України», Київ

канд. мед. наук, ортопед-травматолог вищої категорії, старший науковий співробітник клініки ортопедії та травматології дорослих

Д. С. Дейлід, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»

студент Навчально-наукового Механіко-машинобудівного інституту

Б. Ю. Красько, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»

студент Навчально-наукового Механіко-машинобудівного інституту

Посилання

S. Wasserman, “What is the meaning of FEM analysis?” Engineering.com, Feb. 8, 2024. [Online]. Available: https://www.engineering.com/what-is-the-meaning-of-fem-analysis /.

“ANSYS mesh metrics explained,” FEA Tips, Nov. 21, 2022. [Online]. Available: https://featips.com/2022/11/21/ansys-mesh-metrics-explained/

E. K. Erdemir, A. J. McLean, W. R. Herzog, and A. van den Bogert, “Model-based estimation of muscle forces exerted during movements,” Clin. Biomech., vol. 22, no. 2, pp. 131-154, 2007. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2006.09.005 .

Y. Zhang, J. Xu, and X. Wang, “Finite element analysis of the human knee joint: a review,” J. Mech. Med. Biol., vol. 18, no. 3, pp. 1-22, 2018. https://doi.org/10.1142/S021951941830002X .

P. Kiapour, et al., “Finite element modeling of the knee: validation and sensitivity analysis,” J. Biomech., vol. 47, no. 2, pp. 305-312, 2014. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2013.10.044 .

Y. Bendjaballah, D. Shirazi-Adl, and D. Zukor, “Biomechanics of the human knee joint in compression: a finite element study,” Knee, vol. 12, no. 6, pp. 435-441, 2005. https://doi.org/10.1016/j.knee.2004.12.007 .

S. Kazemi, and D. Shirazi-Adl, “Computational mechanics of articular cartilage of the human knee joint,” J. Biomech., vol. 41, no. 5, pp. 1048-1057, 2008. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2007.12.005 .

ANSYS Inc., ANSYS Meshing User’s Guide, Release 2023 R1, Canonsburg, PA, USA, 2023. [Online]. Available: https://www.ansys.com/academic/learning-resources .

M. Fitzpatrick, et al., “Validation of a finite element model of the knee joint,” Proc. Inst. Mech. Eng. H, vol. 224, no. 4, pp. 537-547, 2010. https://doi.org/10.1243/09544119JEIM669 .

J. Halonen, M. Mononen, and R. Korhonen, “Importance of tissue modeling and loading conditions in knee joint simulations,” Ann. Biomed. Eng., vol. 44, no. 3, pp. 844-857, 2016. https://doi.org/10.1007/s10439-015-1447-0 .

O. Zienkiewicz, and R. Taylor, The Finite Element Method, 7th ed., Oxford, UK: Butterworth-Heinemann, 2013. [Online]. Available: https://www.elsevier.com/books/the-finite-element-method/zienkiewicz/978-1-85617-633-0 .

R. Cook, et al., Concepts and Applications of Finite Element Analysis, 4th ed., New York, NY, USA: Wiley, 2002. [Online]. Available: https://www.wiley.com/en-us/Concepts+and+Applications+of+Finite+Element+Analysis%2C+4th+Edition-p-9780471356059 .

T. L. Haut Donahue, M. L. Hull, M. M. Rashid, and C. R. Jacobs, “A finite element model of the human knee joint for the study of tibio-femoral contact,” Journal of Biomechanical Engineering, vol. 124, no. 3, pp. 273-280, 2002. [Online]. Available: https://doi.org/10.1115/1.1470171 .

A. M. Kiapour et al., “Strain response of the anterior cruciate ligament to uniplanar and multiplanar loads during simulated landings,” The American Journal of Sports Medicine, vol. 44, no. 8, pp. 2087-2096, 2016. [Online]. Available: https://doi.org/10.1177/0363546516640499 .

N. B. Rooks, T. F. Besier, and M. T. Y. Schneider, “A parameter sensitivity analysis on multiple finite element knee joint models,” Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, vol. 10, 2022. [Online]. Available: https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.841882 .

J. P. J. Peitola, A. Esrafilian, A. S. A. Eskelinen, M. S. Andersen, and R. K. Korhonen, “Sensitivity of knee cartilage biomechanics in finite element analysis to selected musculoskeletal models,” Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, pp. 1-12, 2024. [Online]. Available: https://doi.org/10.1080/10255842.2024.2360594 .

##submission.downloads##

Переглядів анотації: 8

Опубліковано

2026-07-06

Як цитувати

[1]
О. С. Мусієнко, А. М. Сивак, О. М. Сулима, Д. С. . Дейлід, і Б. Ю. Красько, «ПОРІВНЯННЯ СКІНЧЕННО-ЕЛЕМЕНТНИХ СІТОК У РАЗІ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ КОЛІННОГО СУГЛОБА ТА АНАЛІТИЧНА ВАЛІДАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ», Вісник ВПІ, вип. 3, с. 79–86, Лип. 2026.

Номер

Розділ

АВТОМАТИЗАЦІЯ, ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ, РОБОТОТЕХНІКА ТА ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМ

Метрики

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.