Análisis mediante el Método de los Elementos Finitos del comportamiento mecánico de una prótesis deportiva de miembro inferior modelizada con materiales compuestos

Abstract

[ES] Este trabajo pretende comparar numéricamente, mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF), las prestaciones mecánicas de una prótesis deportiva de miembro inferior, modelizada con distintos materiales: composite de fibra de carbono-epoxi y nanotubos de carbono-epoxi. Se pretende además comprobar si las prestaciones mecánicas de la prótesis con este último material serían válidas para la aplicación del componente, ya que al tratarse de un material de mayor resistencia y rigidez específica que el composite de fibra de carbono-epoxi es necesario verificar su idoneidad para este tipo de prótesis.

En este Trabajo de Fin de Grado se empleará como punto de partida la geometría de una prótesis deportiva de miembro inferior referenciada en la literatura. Se modelará mediante el programa comercial de elementos finitos ANSYS el comportamiento mecánico de la prótesis aplicando las condiciones de contorno y las solicitaciones propuestas en la bibliografía consultada. Asimismo, se validará el modelo propuesto analizando su comportamiento mecánico para un material isótropo, el acero 1020.

Una vez validado el modelo se analizará el componente empleando como material el composite fibra de carbono-epoxi. Se analizará la influencia en la respuesta mecánica de la fracción en volumen de fibra. Las propiedades elásticas micromecánicas se estimarán mediante las ecuaciones de Halpin-Tsai y mediante modelos semiempíricos obtenidos numéricamente. Finalmente, la caracterización elástica escogida ha sido la del modelo semiempírico. Para la implementación del material compuesto de nanotubos de carbono-epoxi, se han definido las propiedades características del laminado suponiendo que es tipo mat.

Los resultados de este trabajo permitirán comparar la respuesta mecánica de una prótesis deportiva de miembro inferior empleando diferentes materiales compuestos, que ofrecen grandes ventajas por su rigidez y resistencias específicas, con respecto a los materiales de aleación convencionales.

[EN] This work aims to numerically compare, using the Finite Element Method (FEM), the mechanical performance of a sports prosthesis for a lower limb, modelled with different materials: carbon-epoxy fibre composite and carbon-epoxy nanotubes. The aim is also to check whether the mechanical performance of the prosthesis with the latter material would be valid for the application of the component, as it is a material with greater strength and specific stiffness than the carbon-epoxy fibre composite, it is necessary to verify its suitability for this type of prosthesis. In this Final Degree Project, the geometry of a lower limb sports prosthesis referenced in the literature will be used as a starting point. The mechanical behaviour of the prosthesis will be modelled using the commercial finite element program ANSYS, applying the boundary conditions and the stresses proposed in the literature. The proposed model will also be validated by analysing its mechanical behaviour for an isotropic material, steel 1020

[CA] Este treball pretén comparar numèricament, per mitjà del Mètode dels Elements Finits (MEF), les prestacions mecàniques d'una pròtesi esportiva de membre inferior, modelitzada amb distints materials: composite de fibra de carboni- epoxi i nanotubos de carboni-epoxi. Es pretén a més comprovar si les prestacions mecàniques de la pròtesi amb este últim material serien vàlides per a l'aplicació del component, ja que al tractarse d'un material de major resistència i rigidesa específica que el composite de fibra de carboni-epoxi és necessari verificar la seua idoneïtat per a este tipus de pròtesi. En este Treball de Fi de Grau s'emprarà com a punt de partida la geometria d'una pròtesi esportiva de membre inferior referenciada en la literatura. Es modelarà per mitjà del programa comercial d'elements finits ANSYS el comportament mecànic de la pròtesi aplicant les condicions de contorn i les sol·licitacions propostes en la bibliografia consultada. Així mateix, es validarà el model proposat analitzant el seu comportament mecànic per a un material isòtrop, l'acer 1020.