ПОРІВНЯННЯ СКІНЧЕННО-ЕЛЕМЕНТНИХ СІТОК У РАЗІ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ КОЛІННОГО СУГЛОБА ТА АНАЛІТИЧНА ВАЛІДАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
DOI:
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2026-186-3-79-86Ключові слова:
колінний суглоб, метод скінченних елементів, ANSYS, SolidWorks, статичний аналіз, меніск, зв’язки, напруження за Мізесом, жорсткість, аналітична валідаціяАнотація
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.
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##
-
pdf
Завантажень: 0
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, згодні з такими умовами:
- Автори зберігають авторське право і надають журналу право першої публікації.
- Автори можуть укладати окремі, додаткові договірні угоди з неексклюзивного поширення опублікованої журналом версії статті (наприклад, розмістити її в інститутському репозиторії або опублікувати її в книзі), з визнанням її первісної публікації в цьому журналі.
- Авторам дозволяється і рекомендується розміщувати їхню роботу в Інтернеті (наприклад, в інституційних сховищах або на їхньому сайті) до і під час процесу подачі, оскільки це сприяє продуктивним обмінам, а також швидшому і ширшому цитуванню опублікованих робіт (див. вплив відкритого доступу).