Análisis computacional de fatiga mecánica en prótesis externa de rodilla
Computational mechanical fatigue analysis inexternal prosthetic knee
Resumen
Pa
cientes venezolanos con amputación transfemoralrequieren un dispositivo que facilite la realización de actividades de la vida diaria, esto impulsó el desarrollo de una prótesis policéntrica de rodilla funcional y de bajo costo (Amador, 2014). El dispositivo está sometido a las cargas cíclicas de la marcha humana por lo que es fundamental hacer un análisis de fatiga mecánica y prevenir una falla debido a este fenómeno, que implicaría un accidente y posibles lesiones en el paciente. El objetivo de este trabajo esanalizar computacionalmente la fatiga mecánica en la prótesis, tomando las condiciones de carga de la norma ISO 10328 para el ensayo cíclico principal, que incluye una carga de tipo fluctuante en dos condiciones, la condición 1 para el apoyo del talón, y la 2 para el despegue de la punta del pie, eventos del ciclo de marcha. El programa utilizado fue SolidWorks, que requiere el estudio estático con la carga máxima de cada condición y las curvas S-N de cada material; para las curvas S-N teóricas se realizó una revisión bibliográfica para obtener la resistencia a la fatiga corregida con sus respectivos factores. Los resultados del estudio demuestran que la prótesis no presenta fallas a largo plazo (para 3 millones de ciclos). La vida en los componentes de acero fue infinita, siendo el porcentaje de daño cero y el factor de carga de 3,45 y 2,97 para cada condición.Para los eslabones de aluminio, en la condición I, la vida mínima fue 73.262.632 ciclos, el porcentaje de dañomáximo 4,095 % y el mínimo factor de carga 1,533; para la condición II,la vida mínima fue 226.973.424 ciclos,el porcentaje de daño de 1,322 % y el factor de carga mínimo de 1,779. La duración estimada de la prótesis fue de 5 años y 8 meses.
Venezuelans patients with transfemoral amputation require a device that help them to perform daily life activities, this drove the development of a functional and economic polycentric prosthetic knee (Amador, 2014). This unit will be under cyclic loads from human gait, therefore is fundamental making mechanical fatigue analysis to prevent failure that can cause an accident and possible injury on the patient.This research aims to computationally analyze mechanical fatigue on the prosthesis, according to the standard ISO 10328 for the principal cyclic test that includes fluctuating loads in two conditions, the condition 1 for the heel contact, and the 2 for the toe off.The software used for the study was SolidWoks, which requires a static study with the maximum load from each condition and S-N curves of each material. For the theoretical S-N curvea literature review was made to get the fatigue limit corrected by each factor. The study's results demonstrate that the prosthetic knee doesn’t fail in long-term (for 3 million cycles). On steel parts, the life was infinity, the damage was zero and the factor of safety was 3,45 and 2,97 for each condition. For aluminum parts, on the condition I, the minimum life was 73.262.632 cycles, the maximum damage 4,095 % and the minimum factor of safety was 1,533; for the condition II, the minimum life was 223.973.424 cycles, the damage was 1,322 % and the minimum factor of safety was 1,779. The prosthetic knee’s estimated duration was 5 years and 8 months.
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