摘要: 目的在人工髋关节润滑系统研究中，对基于计算流体动力学和流固耦合技术的方法与传统的雷诺方程法进行比较。方法以金属对金属的全置换髋关节系统为研究对象，使用商业软件Adina 作为计算平台，分别建立刚性和弹性流体动力学模型。结果使用基于计算流体动力学和流固耦合技术得到的润滑膜厚度曲线，中部有比较明显的凹陷现象，相较于传统的雷诺方程法得到的结果更为合理;人工髋关节系统的髋臼杯和股骨头的流固耦合表面在所施加的载荷的作用下发生了明显的弹性变形，且该变形和流体域中的压力分布相一致。结论使用基于计算流体动力学和流固耦合技术的方法计算人工髋关节系统的流体动力润滑性能比传统的雷诺方程法更为全面合理。
人工髋关节置换作为矫形外科手术中最为成功有效的手术之一，是一种有效的治疗骨关节炎的方法。目前，各种人工髋关节已经植入到不同需求的病人体内，这种人工的球面轴承在人体内一般能正常工作10 ～ 15 a。但是，这样的寿命远远没有满足年轻病人以及热爱运动的病人的需求。因此，改善人工髋关节球面轴承系统的设计，延长其使用寿命是当前重要的研究方向。
人工髋关节的轴承表面的摩擦磨损问题一直是影响人工假体寿命的重要因素，各种人工髋关节假体的摩擦学性能已经得到了许多学者的关注。人工髋关节的关节界面大体上分为硬-软界面和硬-硬界面等。硬-软界面包括金属对高交联聚乙烯、陶瓷对高交联聚乙烯;硬-硬界面包括金属对金属、陶瓷对陶瓷等。其中高交联聚乙烯材料的抗氧化能力和导热能力差［1］，陶瓷对陶瓷假体脆性较高且承受挤压和不均匀载荷的能力差。金属对金属假体会产生纳米级的磨损微粒，这样小的磨损微粒具有一定的细胞毒性和比较少的诱导骨溶解反应［2］，并且具有优良的稳定性、延展性和自抛光性等优点。因此，金属对金属假体的应用范围有越来越大的趋势。对于金属对金属(metal-on-metal，MOM) 全髋关节置换假体，Ai 等［3］使用数值分析法研究了系统在纯挤压运动以及挤压结合振动旋转下的瞬态流体动力润滑性能，结果显示:如果使用相对大的半径或小的径向间隙和适当的几何结构的髋臼杯，金属髋关节能够达到全膜润滑状态。Jin 等［4］用全数值分析方法求解了硬质髋关节轴承的流体动力润滑问题，结果发现:股骨头的半径和髋臼杯与股骨头之间的径向间隙对润滑膜厚度很大的影响，髋臼杯上的浅凹坑在步态周期内能够明显地增加润滑膜厚度。在稳态进给运动情况下，Jagatia 等［5］对MOM 的全髋关节置换假体系统使用有限元方法和Newton-Raphson 有限差分法，同时求解了Reynolds 方程和弹性方程，发现髋臼杯下方的支持层材料对轴承表面的接触压力和弹性变形影响很小。
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