分析腰椎功能节段L3L4 后路经椎弓根螺钉内固定的应力情况
内固定系统包括4 枚椎弓根螺钉（4.5mm×60mm）、2 枚连接棒（6.0mm×70mm）。腰椎L3L4 节段后路经椎弓根螺钉内固定几何模型已在第4章第6 节构建。现用弹簧韧带模拟前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、横突间韧带等主要韧带，赋予不同的刚度，如表5.7 所示。小关节软骨与椎骨间接触类型为“Frictional”，摩擦系数0.2，进行非线性分析。固定L4 椎体下表面和下关节突，在L3 椎体上表面施加均匀分布的压应力0.5MPa，模拟椎骨在中立位的负载情况。对比L3L4 节段后路经椎弓根螺钉内固定前后的应力变化。
进入Workbench 后，导入第4章第6 节用SOLIDWORKS 软件处理好的L3L4 椎骨螺钉内固定模型→材料赋值，如表5.7 所示→添加弹簧模拟韧带→划分网格，以构建L3L4 椎骨螺钉内固定有限元模型，步骤详见第5章第2 节和第5章第5 节，此处不再赘述。
然后，设置小关节软骨与椎骨之间的接触类型为“Frictional”→设置边界条件 →求解→获得应力分布结果，步骤如下。
表5.7 腰椎功能节段L3L4 后路经椎弓根螺钉内固定材料属性
【操作步骤】
1.设置小关节接触
使用选择面按钮，选中小关节的一个面和L4 皮质骨的一个面，右击后在弹出的菜单中选择“Go to”→“Contacts Common to Selected Bodies”按钮。在参数设置表的“Definition”下的“Type”项选择“Frictional”，并在“Friction Coeffcient”处填写“0.2”，如图5.107 所示。用同样的方法设置另一侧小关节和L4 椎骨的接触。
图5.107 设置小关节接触
2.边界条件设置
首先，施加固定约束。右击Mechanical 流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Fixed Support”按钮，并用选择面按钮选中要固定的L4 椎体下表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮，以固定L4 下表面。
然后，模拟自重。右击Mechanical 流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Force”按钮，并使用选择面按钮选中L3 椎体上表面，再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。设置“Define By”项为“Components”，并在“Z Component”中输入“-500”，以模拟自重。
3.应力分析
插入应力分析。在使用选择体
按钮的状态下，右击流程树的“Solution”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Stress”→“Equivalent（von-Mises）”按钮，插入整体应力分析。此外，分别选中软骨、终板、螺钉，用同样的方法插入各部件应力分析。最后，单击工具栏的“Solve”按钮，计算结果。
4.查看结果
选中流程树的“Solution”下的“Solution Information”项，并在参数表的“Solution Output”项选择力残差选项“Force Convergence”，如图5.108 所示。此时将在右侧弹出Worksheet 窗口，计算一段时间后会出现紫色的力残差曲线“Force Convergence”和蓝色的收敛标准曲线“Force Criterion”。当力残差曲线低于收敛标准时，结果是收敛的，如图5.108 所示。
图5.108 查看非线性分析收敛情况
应力分析结果如表5.8所示，从有限元分析结果可见，在螺钉根部存在明显应力集中，应力主要集中在螺钉的上下方；螺钉固定后，椎体、软骨、椎弓根处产生应力减小；固定后，纤维环前外侧应力变大。
表5.8 腰L3L4 节段后路经椎弓根螺钉内固定的应力
