Σχεδίαση και ανάλυση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων προσθετικού κάτω άκρου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τα αρχικά στάδια σχεδίασης, ανάλυσης και βελτιστοποίησης ενός προσθετικού μονοαξονικού ποδιού. Το προσθετικό αποτελείται από 3 βασικά εξαρτήματα και απευθύνεται σε άτομα που έχουν υποστεί σοβαρή βλάβη στο κάτω άκρο με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί ακρωτηριασμός του ποδιού από το γόνατο και κάτω. Η χρήση του προσθετικού περιορίζεται στο βάδισμα και αξιοποιείται μία τεχνητή άρθρωση στη θέση της ποδοκνημικής η οποία θα επιτρέψει την περιστροφή του άκρου πόδα σε ένα εύρος τιμών από 20 έως -15 μοιρών. Προκαταρκτικά της σχεδίασης τίθενται ως μέγιστη οριακή τιμή του βάρους τα 3,7 kg και ως ελάχιστος συντελεστής ασφαλείας η τιμή 2 για όλο το συναρμολόγημα. Το στάδιο της σχεδίασης βασίζεται πάνω στη διευκόλυνση της μετάβασης από το βιολογικό στο τεχνητό άκρο και για αυτό αποσκοπεί κυρίως στη μείωση του μεταβολικού κόστους βασιζόμενο στις λειτουργίες του ίδιου του βιολογικού άκρου. Τα υλικά που επιλέχθηκαν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή για τις αναλύσεις είναι το αλουμίνιου 6061 για τα εξαρτήματα του άκρου πόδα και το κράμα τιτανίου Ti6Al4V για την κνήμη. Η μελέτη αντοχής του προσθετικού ποδιού διεξάχθηκε μέσω στατικών αναλύσεων με το βάρος του ατόμου να παραμένει σταθερό και μέσω αναλύσεων κοπώσεως με το φορτίο να αυξομειώνεται. Μέσω των προσομοιώσεων και των βελτιστοποιήσεων η μελέτη καταλήγει σε ένα τελικό μοντέλο του οποίου ο χρόνος ζωής είναι ο ένας χρόνος, με ελάχιστο συντελεστή ασφαλείας το 2 και με βάρος κατασκευής να φτάνει τα 3,7 kg.