[논문]마찰곡선을 반영한 인공 고관절 마찰소음 유한요소 해석연구

남재현; 박기완; 강재영

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.1.033

마찰곡선을 반영한 인공 고관절 마찰소음 유한요소 해석연구
Investigation of Hip Squeak Using Finite Element Modeling with a Friction Curve 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.1, 2016년, pp.33 - 39

남재현 (공주대학교기계자동차공학부) , 박기완 (공주대학교기계자동차공학부) , 강재영 (공주대학교기계자동차공학부)

초록
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본 논문은 복소수 고유치해석을 통하여 세라믹-세라믹 인공고관절 시스템에서의 동적 불안정성을 연구하고자 하였다. 시스템 파라메터 연구를 통해서 모드 연성 기반의 불안정성을 연구하였고, 음의 기울기를 포함하는 유한요소 해석 모델을 구현하여 음의 기울기에 의한 불안정성에 대해 조사하였다. 그 결과 토션이 지배적인 시스템 모드가 음의 기울기에 의해 불안정해 지며, 이는 축하중에 크게 영향을 받는다는 점을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the dynamic instability of a ceramic-on-ceramic artificial hip joint system through complex eigenvalue analysis. We examined the mode-coupling mechanism through eigenvalue sensitivity analysis with the variation of system parameters. In addition, we constructed a finite element model including the negative slope of friction curve for investigating the negative-slope mechanism in the hip squeak problem. The numerical results show that the torsion-dominant mode becomes unstable due to the presence of the negative slope while the axial load is the important factor influencing the negative-slope type instability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 Nam⁽¹⁰⁾에 의해 연구 된 복소수 고유치 해석 시스템의 불안정 메커니즘인 모드연성의 다양한 파라메터를 분석하였다. 또한 인공 관절 운동에서 마찰곡선의 기울기가 음으로 존재함을 가정하여, 해석적 접근으로 불안정 모드를 확인하고자 하였다.
에 의해 연구 된 복소수 고유치 해석 시스템의 불안정 메커니즘인 모드연성의 다양한 파라메터를 분석하였다. 또한 인공 관절 운동에서 마찰곡선의 기울기가 음으로 존재함을 가정하여, 해석적 접근으로 불안정 모드를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 FEM 해석을 통해 인공고관절 세라믹-세라믹 접촉 모델의 마찰 소음을 구현 하였다. 마찰 소음의 메커니즘인 모드연성에 대해 다양한 인자를 분석하였으며, 마찰곡선이 음의 기울기로 존재 할 때의 불안정 모드를 유추해 보았다.

가설 설정

Fig. 1(a)와 같이 단순 스프링-질량 모델로 가정하여 진동 시스템에서의 음의 기울기가 미치는 영향을 수학적으로 유추 가능하다. 마찰계수 𝜇는 Fig.
2와 같다. Sheel 과 stem 은 티타늄 합금으로 구성하였으며, 마찰이 발생하는 head 와 liner 는 ceramic-ceramic 모델로 가정하였다. 해석에 사용 된 각 물성은 Table 2와 같다.
따라서 기울기의 변화에 따른 복소수 고유치 해석의 결과를 나타내기 위해 기울기의 크기를 Fig.7 과 같이 가정하였다.
힘은 500N 이 작용하고 있으며, 접촉강성은 1500 N/mm3으로 가정하였다.

제안 방법

그러나 접촉 강성은 특정 된 값이 없고 산포도가 매우 큰 값이다. 따라서 본 논문에서는 임의의 값을 선정하고 약 10 배의 구간에서 해석을 수행하였다. 이때 접촉강성의 변화가 시스템의 불안정성에 어떤 영향을 주는지 확인 하고자 하였으며, 결과는 Fig.
또한 회전 운동 시험장치를 통해 금속 마찰의 경우 음의 기울기가 나타날 수 있고 시스템이 음의 기울기를 가질 때 소음 특성 및 불안정 특정 모드를 해석적으로 검증하였다.
본 연구에서는 FEM 해석을 통해 인공고관절 세라믹-세라믹 접촉 모델의 마찰 소음을 구현 하였다. 마찰 소음의 메커니즘인 모드연성에 대해 다양한 인자를 분석하였으며, 마찰곡선이 음의 기울기로 존재 할 때의 불안정 모드를 유추해 보았다. 결론은 다음과 같다.

이론/모형

복소수 고유치 해석모델은 국제표준 ISO 7206-1 및 참고문헌^(8,9,16)을 참조하여 본 논문에서의 인공 고관절을 구현하였다. 인공고관절은 크게 비구컵, 스템, 관절면으로 구성되어 있으며, 비구컵은 뼈에 고정되는 shell 과 관절면을 이루는 liner 로 나누어져 있다.

성능/효과

(1) 마찰계수가 상수일 경우 복소수 고유치 해석의 결과 총 3개의 모드 연성이 발현되며, 굽힘모드가 지배적인 형상이다.
(4) 기울기가 증가할수록 불안정성도 증가하고, 회전방향에 민감한 모드일수록 기울기의 크기 및 수직항력 영향도 에 매우 지배적이다.
각 실수부들은 하중이 증가함에 따라 실수부의 크기가 증가하며, 하중변화에 매우 민감하였다.
마찰계수가 미끄럼속도에 따라 변화하는 함수라면 평형점에서의 기울기를 선형화하여 나타낼 수 있음을 확인 하였다. 따라서 기울기의 변화에 따른 복소수 고유치 해석의 결과를 나타내기 위해 기울기의 크기를 Fig.
이 모드는 기울기에 크기에 따라 실수부의 변화 폭이 크다. 평형상태의 모드형상을 확인해본 결과 head 의 토션모드가 지배적인 형상으로 회전방향에 민감한 모드임을 유추 할 수 있다. 또한 수식 (5)에서 음의 기울기가 수직항력에 의해 시스템의 불안정성에 크게 기여하는 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문은 복소수 고유치 해석을 통한 시스템의 스퀼 소음을 예측하고자 하였으며, 추후 인공관절 시험 장치를 통해 스퀼 소음 주파수와 해석의 불안정 주파수를 비교 검증 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공고관절 시스템의 대표적인 연구 주제는 무엇인가	인공고관절에 사용되는 재료는 많은 발전을 거듭하고 있으며, 최근 사용되는 세라믹-세라믹 관절 구조는 지속적인 향상에도 불구하고 많은 문제점을 발생시키고 있다. 인공고관절 시스템의 대표적인 연구 주제인 파손에 관한 연구는 ISO 7206-10(1)에 명시되어 있듯 금속으로 제작 된 경부에 수직으로 하중을 가하여 Head 의 파손을 검증하는 방법과 같이 표준화 되어 있다. 또한 Abraham 외(2)는 시스템의 안정성 평가 및 FEM 해석을 통한 응력분포에 대해 연구를 진행 하였으며, 기계 시스템 외 의학적인 연구 사례도 빈번히 기술되고 있다.
	인공고관절 전치환술은 어디에 사용되는가	인공고관절 전치환술은 과거부터 지속적으로 쓰이는 치료방법으로 고관절 질환에 일반적이고 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다. 인공고관절에 사용되는 재료는 많은 발전을 거듭하고 있으며, 최근 사용되는 세라믹-세라믹 관절 구조는 지속적인 향상에도 불구하고 많은 문제점을 발생시키고 있다.
	인공고관절 시스템의 마찰 소음은 어떠한 문제를 일으키는가	그러나 시스템의 안정성은 강도 이외에도 두 물체의 상호작용으로 발생하는 마찰 소음에도 매우 큰 영향을 미친다. 인체에서 발생하는 소음은 감성품질의 저하뿐만 아니라 시스템의 신뢰성을 저하 시키는 매우 큰 원인이 된다. Jarrett 외(4)는 잠재적인 불안정 요소로 인공 고관절의 마찰 소음을 제시하였고, 스퀵 소음이 빈번하게 발생함을 밝혔다.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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