АНАЛИЗ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТЕЗА СТОПЫ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается процесс разработки и численного расчета протеза, выполняющего роль отсутствующей конечности (стопы).

Ключевые слова: протез; напряжение; модель.

Протезы нижних конечностей — это искусственные устройства, предназначенные для замены утраченных или поврежденных частей нижних конечностей, таких как бедра, голени и стопы. Они используются людьми, потерявшими конечности в результате травм, заболеваний или врожденных дефектов. Протезы помогают восстанавливать функции утраченных частей тела, возвращая пациентам возможность передвижения, улучшая их качество жизни и увеличивая уровень независимости.

Протезы нижних конечностей бывают различной сложности, от простых моделей для замещения утраченной части конечности до высокотехнологичных решений с различными функциями и возможностями адаптации. Они могут включать в себя такие компоненты, как искусственные суставы, каркас, системы крепления и разнообразные элементы управления движением. Важным аспектом при разработке протезов является обеспечение комфорта, долговечности и высокой функциональности, что требует использования современных материалов, таких как углепластик, титан и медицинские сплавы.

В данной статье рассматривается процесс разработки и численного расчета протеза, выполняющего роль отсутствующей конечности (стопы).

Рисунок 1. Исходная модель протеза

 Разработанная модель (рисунок 1) протеза была создана с целью использования в повседневной жизни на регулярной основе. Модель состоит из 3х составных элементов: шасси, выполненное из стали 45, скользящего носка и пружины, выполненные из карбона AS4 (3000 волосков) [1]. Протез должен выдерживать нагрузку в 125 кг при ходьбе. Характеристики материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики материалов

Для численного расчета использовался программный комплекс Ansys Workbench. В нем была построена сетка конечных элементов и применены граничные условия (рисунок 2-3).

Рисунок 2. Сетка КЭ

Рисунок 2. Граничные условия

В результате расчета была получена картина полного поля перемещения и напряжений по Вон-Мизесу (рисунок 3-4).

Как видно максимальные напряжения составили 222.23 Мпа, что меньше допускаемых. Вычислим запас прочности: , значит условие прочности выполняется.

Таким образом проделанная работа показала, что нагрузка в 125кг является предельной для данной конструкции и превышение её может повлечь разрушение протеза. Рекомендуется не превышать нагрузку или изменить конструкцию пятки-пружины и скользящего носка для больших предельных нагрузок.

Список литературы:

1. Айзенберг-Григорян, Г. Г. Влияние технологических факторов на прочность и долговечность полимерных материалов в изделиях медицинского назначения / Г. Г. Айзенберг-Григорян, В. К. Крыжановский. – СПб. : Профессия, 2013. – 320 с
2. Безух, Н. И. Теория упругости и ползучести / Н. И. Безух. – М. : Высшая школа, 1968. – 512 с.
3. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. – М. : Мир, 1975. – 541 с.
4. . Федорова, Е. В. Механика деформируемого твердого тела : учебное пособие / Е. В. Федорова, А. В. Шишов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.