Análisis estructural biomecánico de articulación de rodilla Presentación Instituto Tecnológico de Celaya Departamento de Ingeniería Mecánica PRESENTAN: Julio Cesar Sánchez Jiménez. sal0030@hotmail.com Raúl Lesso Arroyo. rlesso@itc.mx III Internacional de
Índice Objetivos. Introducción. Partes involucradas. Modelación. Simulación. Etapa 1: DesingSpace Etapa 2: Ansys (partes por separado) Etapa 3: Ansys (Modelo simplificado) Etapa 4: Ansys (Modelo Completo) Resultados. Conclusiones. III Internacional de
Objetivos Presentar un análisis estructural de articulación de rodilla. Conocer el comportamiento conjunto entre los huesos de la rodilla y los meniscos en una simulación. Establecer los parámetros de control de los pares de contacto utilizados. Presentar las diferencias entre modelos lineales y no lineales. Desarrolla un primer paso importante hacia la caracterización estructural de la articulación de rodilla. Desarrollar una metodología de trabajo para establecer los parámetros de los pares de contacto. Proporcionar una primera fuente de información al respecto para futuros trabajos orientados a este punto. III Internacional de
Introducción Introducción La articulación más importante del cuerpo humano es la rodilla. Se han realizado múltiples estudios al respecto, la mayoría de ellos con modelos simplificados, ya sea por aproximaciones en dos dimensiones o en análisis tridimensionales eliminando partes esenciales de la articulación. La articulación de rodilla está formada por tres huesos (Fémur, Tibia y Rótula) y por cuerpos deformables (Meniscos) que sirven para eliminar el contacto directo y a reducir la fricción entre los huesos. En esta articulación se encuentran materiales orthotrópicos e isotrópicos los cuales interactúan entre sí. (Fig. 1) III Internacional de
Introducción Partes involucradas III Internacional de
Introducción Estructura ósea Zona cartilaginosa Hueso compacto (parte interna, propiedades mecánicas pobres ) Hueso poroso (parte externa, propiedades mecánicas ricas ) Capa cartilaginosa (capa protectora entre superficies) III Internacional de
Modelación Materiales El fémur (orthotrópico), Tibia (orthotrópico), Rótula (Isotrópico) y Meniscos(orthotrópico), aún y cuando pertenecen a un mismo sujeto de estudio tienen diferentes propiedades mecánicas. Algunas de ellas se muestran a continuación: III Internacional de
Modelación Modelo a analizar El modelo 3D se consideró en extensión, 0 grados, conformado por un solo tipo de material óseo por hueso, el cual es esponjoso, y orthotrópico. Con la finalidad de tener un punto de comparación, se realizaron estudios sobre modelos independientes (cada hueso por separado) en un análisis lineal. Para el presente estudio se excluyen las partes cartilaginosas del hueso, ya que aunque se conoce su geometría, no se encuentran caracterizadas del todos sus propiedades mecánicas, asiendo impráctico su inclusión en éste. En este estudio se toma en cuenta la interacción de cada parte de la articulación con su entorno óseo. III Internacional de
Digitalización Errores en el modelo Modelación Resonancia magnética Modelo digitalizado de Greer-Wang Meniscos y Rótula en IronCAD III Internacional de
Simulación Etapa Simulación 0: DesignSpace Modelo en DesignSpace Debido a los pobres resultados obtenidos. Se omite esta etapa. III Internacional de
Simulación Etapa 1: Partes por separado Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar. Análisis lineal. No cuenta con pares de contacto. Simplemente apoyada. 1. Mallado libre, controlado por lineas. 2. Restriciones más estrictas. III Internacional de
Simulación Etapa 2: Modelo simplificado 1) Tener dimensiones aproximadas al modelo final, 2) Estar en base a geometrías básicas (esferas, elipsoides, etc), 3) Lograr un buen mallado de baja densidad, 4) Contener modelos simplificados de cada una de las partes implicadas en él. 5) 2 pares de contacto independientes. 1) Mallado libre 2) Restricciones no precisas III Internacional de
Simulación Etapa Simulación 3: Modelo reducido Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar exceptuando las partes alejadas de la parte de interés. Cuenta con 4 pares de contactos independientes (superficie a superficie). Modelo par de contacto 3 1. Mallado libre, controlado por lineas. 2. Restriciones más estrictas. Modelo par de contacto 4 III Internacional de
Simulación Etapa 4: Modelo completo Modelo que cumple totalmente con la geometría a analizar. Cuenta con 4 pares de contactos independientes (superficie a superficie). Modelo par de contacto 1 1. Mallado libre, controlado por lineas. 2. Restriciones más estrictas. Modelo par de contacto 4 III Internacional de
Resultados Etapa 1: Partes por separado III Internacional de
Etapa 2: Modelo simplificado Resultados Resultados III Internacional de
Resultados Etapa 3: Modelo reducido III Internacional de
Resultados Etapa 4: Modelo completo III Internacional de
Comparación de resultados Resultados Esfuerzos de VonMises, Fémur. (Pa) Resultados Se omite el modelo simplificado, por ser solamente una fase intermedia para obtener los resultados. III Internacional de
Conclusiones El análisis mecánico estructural tridimensional de la articulación de rodilla, articulación más importante del cuerpo humano, es de gran importancia ya que nos aproxima a su conocimiento completo. El lograr este tipo de análisis por simulación en lugar de medios intrusivos o análisis destructivos es una de las grandes metas de la biomecánica. Para lograr conocer el comportamiento total de la articulación es necesario agregar, todavía, al modelo analizado la parte cartilaginosa que cubre los huesos así como la zona compacta (parte interna). A través de este estudio se dan a conocer varios de los parámetros mas importantes para controlar la geometría, la divergencia de los resultados y su paulatino acercamiento a la convergencia. También se muestra, implícitamente, el método de evolución del modelo para conocer los parámetros que nos llevan a lograr los objetivos de este estudio. Aunado a lo ya explicado, se demuestra la diferencia de resultados entre los análisis lineales y los no lineales y la complejidad que se debe de enfrentar para resolver estos últimos (no linealidades geométricas, no linealidades por contactos, pares de contactos múltiples y materiales altamente deformables). III Internacional de