The optimal shape for a minimum weight design of a stainless steel stem in Total Hip Prosthesis was analytically investigated.
The constraints considered are stresses in bone and stem and design variable constraints on the size of the stem. Also considered is the optimal shape for minimum stress in the cement near the proximal part to prohibit loosening.
The total hip prosthesis is modeled as two simple beams connected by simply distributed spring representing the cement layer.
The analysis program is incorporated in GPOD2, a program package for optimization of distributed parameter system based on a generalized steepest descent method.
An appropriate equivalent spring constant was determined and checked from a model study of the cross section of the total hip prosthesis.
The optimal shape of stem was found to be thinner in its distal part and thicker in its proximal part than those of commercial stems.
인공 고관절의 금속 STEM의 최적 형상을 구했다. 이 최적 설계의 목적은 STEM과 뼈의 최대 응력을 허용 응력 이하로 만들고 헐거워짐을 방지하기 위해 cement에 걸리는 응력에 구속 조건을 주면서 STEM 무게를 최소화 시켰다.
단순보 (Simple beam) 이론을 사용했고 최적 설계를 하기 위해 Generalized Steepest Descent Method가 사용됐다. Cement의 응력을 낮추기 위해선 STEM의 단면이 굵고, 강성도가 커야 하며 STEM의 응력은 STEM의 단면이 클수록 강성도가 작을수록 STEM 길이가 작을수록 낮아졌다. 얻어진 최적 형상을 볼때 distal 부에서는 가능한 한 얇아져도 영향이 없었고 proximal 부에서는 현재 널리 사용되는 STEM에 비해 더 굵어짐을 보여준다.
