膝关节是维持人体下肢运动的重要结构,同时膝关节的发病率也是最高的。在膝关节的生物力学中,进行人体实验存在实验周期长、费用高以及无法分析关节接触面积和接触应力随屈膝角度的实时变化等缺点。利用有限元方法对膝关节进行三维建模分析有助于了解膝关节的运动情况和损伤机理,对膝关节疾病的有效防治和人工膝关节的优化设计提供参考和指导。目前对膝关节进行动态模拟的研究较少,对固定轴和旋转轴人工膝关节假体的动态对比分析更少。本文采用三种有限元模型动态模拟了膝关节的屈膝运动,分析了膝关节在0°-90°屈膝运动下,胫股关节的应力分布。主要工作如下:(1)首先获取健康成年男性膝关节CT数据;导入Mimics软件构建骨骼几何形态,构建软骨和半月板,在UG软件中构建韧带;把骨骼和软组织导入3-matic中,调整坐标并装配成完整膝关节;然后以.stl格式文件导入Hyper Mesh中划分并优化网格;导入有限元分析软件Abaqus中,施加负载进行仿真计算,将分析结果与文献研究对比,验证了所建模型的有效性。(2)在上述膝关节模型中,依照临床手术要求,分别选择相匹配型号的固定轴和移动轴膝关节假体,对假体进行反求工程,由实物逆向建立固定轴和移动轴两类建立人工膝关节(TKA)模型;基于自然膝关节的模型,按照临床置换规范,将所建人工膝关节假体组件与自然膝关节模型进行组装,以此建立完整的含人工假体的膝关节有限元模型。(3)在自然膝关节模型上赋予适当的动载荷,模拟0-90°屈膝运动。(4)针对上述植入假体组件组装后的完整人工膝关节模型,施加相应的动载荷,模拟膝关节0°～90°屈膝运动。分别对固定轴和移动轴的人工膝关节进行仿真分析,分析固定轴和移动轴人工胫股关节聚乙烯垫间接触应力和接触面积。结果发现:当屈膝角度从0°到90°过程中,胫骨关节、股骨关节以及半月板所受的应力不断增加。固定轴和移动轴假体聚乙烯垫上的接触区域和接触应力与自然膝关节的变化趋势基本相同。由测量数据可以看出两种人工胫股关节间的接触应力远高于自然关节;当屈膝角度在0～90°范围内,移动轴假体模型中聚乙烯垫上接触应力及接触面积均小于固定轴,存在显著性差异。结果提示,移动轴假体在不同屈膝角度下增大了胫股关节接触面积,减少了应力集中,同时也减弱了胫股假体间的摩损,可降低术后翻修率。本文对膝关节假体结构设计和材料选取具有一定的参考价值。