Projekt protezy powyżej kolana oparty na trwałości zmęczeniowej z wykorzystaniem metody elementów skończonych i projektu eksperymentu

Najważniejsze

Symulacja elementów skończonych i przewidywanie trwałości zmęczeniowej w oparciu o podejście Marrow do testu strukturalnego protez stawu kolanowego opartego na ISO 10328 zostało potwierdzone wynikami eksperymentalnych testów strukturalnych z błędem 3,59% i przedziałem poufności 95%.

Stosując projekt podejścia eksperymentalnego, trzy uszkodzone składniki wybrano jako parametry projektowe i zbadano 27  ×  2 modele FE testu strukturalnego protezy kolana pod normalnym obciążeniem cyklicznym i statyczne obciążenie końcowe.

Celem optymalizacji było zmaksymalizowanie trwałości zmęczeniowej protez kolanowych podczas obciążenia cyklicznego, podczas gdy nie ma trwałego odkształcenia i całkowitego ugięcia mniej niż 2,5 mm dla protezy kolana pod działaniem siły ostatecznej.

Zoptymalizowane konstrukcje protez kolan zostały wykonane i przetestowane. Wynik testu potwierdził prognozę elementów skończonych, że proteza kolana może wytrzymać więcej niż 3 000 000 cykli obciążenia cyklicznego i nie ulega awarii przy obciążeniu ostatecznym.

Abstrakcyjny

Eksperymentalne testy strukturalne, oparte na normie ISO 10328, na istniejącym projekcie wykazały, że kilka elementów zawiodło z powodu zmęczenia przy normalnym obciążeniu cyklicznym poniżej wymaganej liczby cykli. Przeprowadzono symulacje elementów skończonych (FE) testów strukturalnych na protezie kolanowej. Prognozy dotyczące wytrzymałości zmęczeniowej materiałów na komponenty kolanowe były modelowane w oparciu o podejście Morrow’a. Oszacowanie trwałości zmęczeniowej na podstawie wyniku modelu FE zweryfikowano za pomocą odpowiedniego testu strukturalnego i wyniki dobrze się zgadzały. Nowe projekty wadliwych komponentów badano przy użyciu projektu eksperymentalnego i analizy elementów skończonych testu strukturalnego ISO 10328 protez kolanowych w dwóch oddzielnych przypadkach ładowania. Przy obciążeniu ostatecznym szczyt naprężenia szczytu stawu kolanowego Misesa musi być mniejszy niż granica plastyczności materiału komponentu kolana, a całkowite ugięcie kolana musi być mniejsze niż 2,5 mm. Prognoza żywotności zmęczeniowej wszystkich elementów kolan musi być większa niż 3 000 000 cykli przy normalnym obciążeniu cyklicznym. Parametrami konstrukcyjnymi są grubość prętów łączących, średnica dolnego łącznika i grubość ogranicznika absorbera. Zalecono zoptymalizowany projekt protezy kolana spełniający wszystkie wymagania. Eksperymentalny test strukturalny ISO 10328 wykonanej protezy kolana w oparciu o zoptymalizowaną konstrukcję potwierdził przewidywanie elementów skończonych.