CC BY
2
Лустин А.Д. доцент
кафедра Технологии машиностроения и приборостроения Казанский национальный технический университет - КАИ
Россия, г. Лениногорск Галиуллин Р.Р. студент 4 курса Институт математики и механики Казанский федеральный университет
Россия, г. Казань
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТА
ВНЕШНИЙ ФИКСАЦИИ
В работе приведены результаты расчета жесткости аппарата внешней фиксации применяемого в рамках концепции трехплоскостной коррекции пространственной патологической ориентации проксимального отдела бедренной кости с учетом стадии заболевания локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения. Была построена трехмерная параметрическая модель аппарата, проведены расчеты, на основе полученных результатов были даны рекомендации.
Биомеханика, аппарат внешний фиксации, ротационная остеотомия, жесткость.
Среди всех заболеваний тазобедренного сустава в детском возрасте, болезнь Легг-Кальве-Пертеса (БЛКП), по данным различных авторов, составляет 25-30% [8]. Чаще всего поражается один сустав, однако в 10-20% случаев встречается двусторонняя форма [8]. В работе рассмотрен аппарат внешний фиксации применяемый в рамках концепции трехплоскостной коррекции пространственной патологической ориентации проксимального отдела бедренной кости с учетом стадии заболевания локализации дегенеративно-дистрофического процесса и тяжести поражения (патент на изобретение №2440050 «Способ лечения болезни Пертеса»).
Возникающие нагрузки в суставе после проведенной остеотомии в первую очередь передаются на аппарат внешней фиксации, который должен обеспечить достаточную жесткость, в противном случае под действием сил [1, 4], возникающих в мышцах возможно флексия и обратная ротация в суставе, что может привести как ухудшению качества лечения, так и к вывиху [3,5,7].
Аппарат внешней фиксации представляет из себя объемную конструкцию, опорами которой являются стержни, соединение между которыми осуществляется за счет скоб и шпилек (см. рис. 1). Структурно аппарат можно разделить на две части: ротационную (часть L на рис. 1) и
опорную (часть R на рис. 1). Угол между этими частями может варьироваться в зависимости от локализации заболевания и тактики оперативного вмешательства. Крепление между всеми составляющими конструкции осуществляется за счет резьбового соединения, к надежности этих соединений и предъявляются основные требования.
2________________
.4
,. 1
I.
4 1
2 ' ; ////
ь
/ ''
Рис. 1. Структурная схема аппарат внешней фиксации. а - вид сбоку, Ь - вид сверху, с - вид при ротации. 1 - стержень, 2 - скоба, 3 - шпилька, 4 -
опоры.
В рамках работы была построена трехмерная параметрическая модель аппарата внешней фиксации для проведения ротационной остеотомии. Для построенной модели были выбраны различные расположения между ротационной и опорной частями и для этих положений была проведена конечно-элементная дискретизация. Для построенных расчетный моделей было определено напряженно-деформируемое состояние и проведена оценка жесткости конструкции в целом.
Модели деталей аппарата, как и сама модель аппарата была построена в программе NXSiemens. На рисунках ниже изображены модели деталей аппарата. Построенная модель позволяет моделировать различные положения конструкции. Для построенной модели было произведено конечно-элементное разбиение. В конечно-элементной модели были использованы два типа конечных элементов (КЭ): 4-ёх узловой тетраэдальный КЭ с линейной аппроксимацией и 4-ёх узловой гексагональный с линейно аппроксимацией. Тетраэдральный конечный элемент применялся для деталей с нерегулярной геометрией. В местах соединения деталей накладывались условия совместности узлов сетки. Методика расчета подробно изложена в работах [2, 6], ниже приведем основные соотношения.
В местах резьбовых соединений использовались условия контактного взаимодействия, методика расчета подробно описана в работе [6]. В работе были проведены расчеты на прочность и жесткость. Прочностная оценка производилась согласно теории Мизеса-Генки:
■ V
(°"п ~а22) + (а22 ~а33) + (0"33 -°"п) + (0Ъ + ^23 +^31)
2
Тогда критерий прочности будет: max(a/) < [öV]
Надежность узлов резьбовых соединений, обеспечивает жесткость всей конструкции. В этом случае выражение прочности соединения осуществляется согласно выражению:
maX(^max) < fcp ]
Расчеты проводились для различных величин угла между поворотной и опорной скобы (см. рис.1 позиции 2). По результатам расчетов производилась оценка прочности всей конструкции и резьбовых соединений. Силовая схема была следующей: перемещение опорных стержней жестко фиксировалось, а к поворотным стержням прикладывался единичный крутящий момент.
Расчеты конструкции показали, что самыми нагруженными участками конструкции являются места соединения шпилек с поворотной скобой (позиции 4R и 2R на рис. 1). Анализ напряженно-деформированного состояния конструкции показал, что большие напряжения возникают на шпильке в сторону которой осуществляется ротация, при этом этот стержень испытывает сжимающее, второй стержень напротив испытывает растяжение. В рамках анализа были рассмотрены максимальные значения интенсивности напряжений и максимальные касательные напряжения в местах соединения шпилек со скобой (позиции 4R и 2R на рис. 1) и стержнях (позиция 3 на рис. 1).
По результатам расчетов был определен допустимый крутящий момент, который возникает при эксплуатации конструкции и составил 15 Нм. Возникающие, при проведение оперативного вмешательства, эксплуатационные нагрузки зависят от тонуса мышц пациента и тактики ротации [1, 8]. Поэтому на основании полученных результатов было решено усилить крепежные узлы шпилек к скобе контргайками, что позволит увеличить жесткость и надежность аппарата.
Использованные источники:
1. Андреев П.С., Коноплев Ю.Г., Саченков О.А., Хасанов Р.Ф., Яшина И.В. Математическое моделирование ротационной флексионной остеотомии // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 5. С. 18-21.
2. Зайцева Т.А., Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А. Математическое моделирование установки ацетабулярного компонента с недопокрытием // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 4. С. 2225.
3. Закиров Р.Х., Зарипов Р.А., Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А. Диагностика асептического некроза головки бедренной кости с использованием спиральной компьютерной и магнитно-резонансной томографии и применение математического моделирования при планировании операции по эндопротезированию тазобедренного сустава // Практическая медицина. 2012. № 8-2 (64). С. 63-68.
4. Закиров Р.Х., Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А.
Математическое моделирование биомеханики сустава // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 1. С. 31.
5. Коноплев Ю.Г., Мазуренко А.В., Митряйкин В.И., Саченков О.А., Тихилов Р.М. Экспериментальное исследование влияния степени недопокрытия вертлужного компонента на несущую способность эндопротеза // Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18. № 3. С. 333-344.
6. Коноплев Ю.Г., Мазуренко А.В., Саченков О.А., Тихилов Р.М. Численное исследование влияния степени недопокрытия вертлужного компонента на несущую способность эндопротеза // Российский журнал биомеханики. 2015. Т. 19. № 4. С. 330-343.
7. Коноплев Ю.Г., Митряйкин В.И., Саченков О.А. Применение математического моделирования при планировании операции по эндопротезированию тазобедренного сустава // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. 2011. Т. 153. № 4. С. 76-83
8. Хасанов Р.Ф., Андреев А.П., Скворцов А.П., Саченков О.А., Яшина И.В. Биомеханическое обоснование хирургического лечения болезни Легг -Кальве - Пертеса // Практическая медицина. 2015. № 4-1. С. 200-203.
Ляпин А. М.
кафедра систем автоматизированного проектирования, аспирант
Финогеев А. Г., доктор технических наук
профессор
кафедра систем автоматизированного проектирования Пензенский государственный университет
Россия, г. Пенза
МОТИВЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ BIG DATA В СФЕРУ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
Ключевые слова:
Технология больших данных, облачные вычисления, жилищно-коммунальное хозяйство, энергоснабжение
Technology of big data, cloud computing, housing and communal services, electric power supply Аннотация:
В статье рассматриваются возможности и целесообразность применения технологий работы с большими данными (Big Data) для мониторинга процессов энергоснабжения и энергопотребления в сфере жилищно-коммунального хозяйства РФ. Рассматривается возможность реализации технологий Big Data средствами и ресурсами облачных вычислений. Приведены примеры задач, для которых возможно использование технологий Big Data. Дана оценка преимуществ и перспектив данного подхода. Рассмотрена платформа облачных вычислений (Cloud Computing) как основа для сбора и обработки больших объемов информации методами Big Data. Приводятся примеры совместного использования
