在日常生活中,膝关节承担着人体大部分的运动任务。膝关节是人体中运动范围最大的运动关节之一,同时也是人体重要的承重关节。因此,膝关节极易受到运动损伤。另外,膝关节多发生如骨关节炎等对膝关节运动造成严重影响的生理病变。人工全膝关节置换手术(TKR)作为一种有效的治疗膝关节疾病的方法,经过多年的研究发展,已经得到了广泛的临床应用。全球范围内,每年有大约44万以上的患者通过接受全膝关节置换手术治愈了膝关节疾病。全膝关节置换手术尽管具有较高的术后满意度,但每年仍有大批患者的膝关节假体会出现不同程度的损坏,导致患者不得不进行二次修复手术。导致人工膝关节假体失效的主要原因是手术后膝关节非正常的运动状态,或应力水平的大幅度波动引起的假体材料磨损。本文的主要目的是,使用椭圆曲线作为基本几何特征,对膝关节假体曲面进行重新设计。这种设计方法的特点是:设计参数较少,能较好的拟合自然人体膝关节的几何特征。同时,这种新的设计能建立不同类型的膝关节假体以满足不同类型的运动特点。使其在特定运动状态下具有良好的稳定性与充分的灵活性。对于研究中设计的新型人工膝关节假体,本文分别使用静态有限元仿真和动态有限元仿真的方法评估这种膝关节假体在步态过程中的力学性能。“相交体积”法用于评估膝关节假体的运动稳定性。另外,本文使用Hertz接触理论的方法,对新设计的膝关节假体在步态过程中的接触应力做理论计算。将模拟仿真的结果与理论计算的结果进行对比,讨论了使用理论计算的方法对膝关节假体组件进行早期性能评估的可行性。对新设计的膝关节假体进行稳定性评估的结果表明:本文中设计的膝关节假体在膝关节低弯曲角度下,具有较好的稳定性;当弯曲角度增加时,膝关节假体的稳定性逐渐降低,而灵活性逐渐增强。这种变化,有利于膝关节运动性能的改善,使人工膝关节的运动特点更加贴近自然人体膝关节的运动特点。静态有限元仿真结果表明:在特定的膝关节弯曲角度和载荷工况下,本文中设计的不同类型的膝关节假体都具有良好的力学响应。动态仿真结果表明:本文中新设计的膝关节假体,在步态过程中的关节接触面应力分布得到了改善。同时验证了稳定性评估中膝关节假体的运动学特点,即:人工膝关节置换假体的髁间距(BS)的长度随着膝关节弯曲角度的增加逐渐减小。当膝关节弯曲角度较小的时候,较长的BS可以使膝关节获得更好的稳定性;相反,当膝关节的弯曲角度较大的时候,较短的BS可以使膝关节获得更加良好的灵活性,以便于步态过程中胫骨的旋转和前后位移。