ANÁLISIS NO LINEAL POR ELMENTO FINITO DE PRÓTESIS DE ARTICULACIÓN DE RODILLA

Transcripción

1 ANÁLISIS NO LINEAL POR ELMENTO FINITO PARA MEJORAR LA VIDA ÚTIL EN INSERTOS DE PRÓTESIS DE ARTICULACIÓN DE RODILLA Instituto Tecnológico de Celaya M.C. AGUSTÍN VIDAL LESSO Depto. Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Celaya RAÚL LESSO ARROYO J. SANTOS GARCIA MIRANDA Depto. Ingeniería Mecánica Instituto Tecnológico de Celaya ext. 320 y 207 ITC 08/08/08

2 INTRODUCCIÓN CONTENIDO OBJETIVO METODOLOGÍA RESULTADOS CONCLUSIONES

3 INTRODUCCIÓN CASOS DE DESGASTE DE CARTÍLAGO DE RODILLA (OSTEOARTRITIS)

4 PRÓTESIS DE RODILLA Año 2010 Aprox. 3.5 millones de personas con osteoartritis de rodilla. Desgaste del inserto

5 OBJETIVO Aumentar la vida útil de los insertos de prótesis de articulación de rodilla

6 METODOLOGÍA Análisis mediante el Método de Elemento Finito (MEF) MATERIALES

7 Fischer-Cripps et al. 2 Modelo analítico de profundidad de penetración en prueba Berkovich h t = H ( 2 3 3H tan θ ) ( π 2) π Hπ * 2βE h t = profundidad de penetración, P = carga aplicada, H = dureza, β = factor geométrico de corrección, E * = módulo de Young corregido Oliver W. C. et al. 1 Módulo elástico corregido 1 E * = 2 1 v 1 v' + E E' 2 E*= módulo elástico corregido, E, v= módulo elástico y relación de Poisson del material penetrado, E, v = módulo elástico y relación de Poisson del material del indentador

8 Modelos simplificados de nanoindentación y prótesis de rodilla Indentador tipo Berkovich con un semiángulo de 65.27º

9 RESULTADOS Distribución de esfuerzos de von Mises en prueba de nanoindentación Desplazamientos

10 600E E+00 tración (nm ) fundidad penet Prof 5.00E E E E E E+00 ht anal. sim. ht exp. Comparación de la curva de penetración experimental y analítica-simulación. 0.00E E E E E E+01 Carga (micron) 2.50E+08 Comparación de la curva de dureza experimental y analítica-simulación. Dureza (P a) 2.00E E E E+07 H exp (Pa) H sim (Pa) 0.00E E E E E E E E E E+01 Carga (micron)

11 Esfuerzos de von Mises (MPa) en UHMWPE sin recubrimiento.

12 3000 ises (MPa) fuerzo von M Esf Espesor (micras) Comportamiento del esfuerzo de von Mises del recubrimiento versus su espesor. 3.00E+01 Comportamiento del número de ciclos de vida del recubrimiento versus su espesor. da Numero de ciclos de vi 2.50E E E E E E+0000E Espesor recubrimiento

13 CONCLUSIONES Se logró reproducir satisfactoriamente la prueba de nanoindentación de manera virtual. Los resultados obtenidos en la prueba de nanoindentación por simulación, presentan una buena correlación con los resultados experimentales. El recubrimiento genera esfuerzos menores en el substrato y produce una distribución mas uniforme de esfuerzos en éste. El espesor del recubrimiento influye en su magnitud de esfuerzo, encontrándose un decremento de hasta 50.84% al mayor espesor analizado; produciendo con ello, un aumento de vida útil del inserto.

14 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Oliver W.C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res., Vol. 7, No. 6, June [2] Fischer-Cripps A.C. Simulation of sub-micron indentation tests with spherical and Berkovich indenters. J. Mater. Res., Vol. 16, No. 7, Jul [3] Giannakopoulos A.E., Larsson P.-L. Analysis of pyramid indentation of pressuresensitive hard metals and ceramics. Mechanics of Materials 25 (1997) [4] Zhaohui Shan. Nanoindentation Studies and Material Characterization. National Science Foundation. [5] Zhang F., Saha R., Huang Y., Nix W.D., Hwang K.C., Qu S., Li M. Indentation of a hard film on a soft substrate: Strain gradient hardening effects. International Journal of Plasticity 23 (2007) [6] Pérez P. A., Lesso A. R.. Análisis y simulación de esfuerzos de contacto en prótesis de articulación de rodilla. Agosto, [7] Fischer-Cripps Anthony C. Nanoindentation. Second Edition. Pages 1-8. [8] Rivera R. C. Depósito por ablación láser de películas de TIN sobre UHMWPE. 4to Verano Estatal de Investigación. Agosto 2007.

15 ITC 14/12/07