دراسة مقاومة الكلال و حساب نسبة الصلابة الى الوزن لطرف صناعي عبر الركبة

رسالة ماجستير

اسم الباحث : امير علاء عليوي

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : الهندسة الميكانيكية - ميكانيك تطبيقي

سنة نشر البحث : 2018

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الأطراف الصناعية هي اجهزة تعمل كبديل لعضو مفقود نتيجة اصابة او عيب خلقي. الاشخاص الذين لديهم بتر يمر عبر الركبة هم أكثر عرضة لحدوث فشل في الوقب الخاص بهم لمختلف حالات التحميل. عدة اسباب تقع خلف ذلك من ضمنها نوع المادة المصنوع منها الوقب وحالة الحمل المسلط عليه. في هذا البحث تم اقتراح مادة مركبة لتحسين الوقب لطرف صناعي واطالة عمره وزيادة راحة مستخدمه.

يتضمن البحث جزئين: عملي ونظري. الجزء العملي اشتمل على نوعين رئيسيين من الاختبارات:

النوع الاول عني بأجراء اختبارات ميكانيكية لمادة الوقب المقترحة والموجودة. المادة الموجودة تكونت من الطبقات (4 برلون 2 الياف الزجاج 4 برلون) بينما شكل الترتيب (3 برلون 1 الياف الكربون 1 برلون 2 الياف الكربون 1 برلون 1 الياف الكربون 3 برلون) الطبقات المستخدمة في المادة المقترحة لأجل الحصول على خواص فيزيائية وميكانيكية أفضل اضافه لتحسين الاستقرارية والاتزان (لوقب طرف صناعي لبتر عبر الركبة) عند مقارنته مع الوقب الموجود. بينما لم يتم الحصول على تحسين في الخواص الميكانيكية عند اضافه نسب نوى التمر.

النوع الثاني من الاختبارات عني بإجراء اختبارات لقياس قوة رد فعل الارض وتوزيع الضغط على طرف صناعي موجود واخر مقترح لذكر مبتور الطرف ذي 27 عاماً ووزن 80 كغم وبطول 180 سم. استخدم حساس F-Socket لقياس الضغط البيني الموجود بين الطرف المبتور والوقب. اظهرت حسابات الصلابة الى نسبة الوزن (الكثافة) ان الوقب المقترح يمتلك قيم اعلى إذا ما قورنت مع الوقب الموجود لحمل محوري (بنسبة 268.4 0%) وحمل انثناء (بنسبة 235%) وحمل التواء (بنسبة 229%).

الجزء النظري هو الثاني من هذا البحث ويتضمن بحثا نظرياً وعددياً لغرض محاكاة طرف صناعي عبر الركبة وحساب قيم اجهادات (Von-Mises) ومعامل الامان وذلك عبر اجراء تطيل عددي باستخدام برنامج ANSYS.

تم الحصول على قيم الضغط البيني بين الطرف المبتور والوقب تحليلياً وعملياً. استخدمت تلك القيم كمدخلات لبرنامج ANSYS.

اظهرت النتائج الخاصة بالمادة المركبة المقترحة ان اعلى قيمة لاجهاد Von-Mises تساوي MPa 14.43 بالنسبة للجزء العملي بينما حصلت القيمة MPa 15.42 تحليليا وقد لوحظ ان لترتيب الطبقات بالنسبة للمادة المقترحة اثر ايجابي على معامل الأمان، تشوه المادة وراحة المريض اثناء الحركة.

Investigation of fatigue strength and stiffness weight ratio of knee disarticulation prosthetic socket

    Prosthesis is an artificial part that replaces a missing body part, lost due to trauma or congenital defect. People with knee disarticulation (through knee amputation (TKA)) are prone to have their socket failed under different conditions. Various reasons are responsible for that, such as the sort of material used in producing the socket the conditions of load exerted on the prosthetic socket. In this research, composite materials are suggested in order to modify the prosthetic socket for the sake of extending its life and increasing the comfort for its user.
This study included two major parts; experimental and numerical parts. The experimental part included two major types of tests. The first type of tests concerned about performing mechanical tests on the socket materials including available and suggested materials used in socket lamination. The available material consists of laminated (4 perlon 2 fiber glass 4 perlon) layers, and the suggested material consists of (3 perlon 1 carbon fiber 1 perlon 2 carbon fiber 1 perlon 1carbon fiber 3 perlon) layers. Suggested materials provide better physical and mechanical properties, such as improving stability and providing equilibrium for the TKA socket as compared to sockets that are currently available, while nut palm powder does not give any significant effect on the strength of material. The second type of tests dealt with the 27-years old male patient whose weight is 80 kg and height of 180 cm, in order to measure the Ground Reaction Force (GRF), and pressure distribution for both suggested and available prostheses. F-Socket sensor is used to measure the interface pressure between stump and socket. The calculations of the stiffness to weight ratio showed that the suggested socket has a value higher than of the available one for axial (204.5%), bending (189%) and torsion (182.7%).
The second part of this work is the numerical part which involves the analytical and numerical investigations that focus on simulation of through knee prosthesis to calculate the equivalent von-Mises stresses and safety factor by performing finite element analysis conducted through ANSYS 14.5 software. The interface pressure between stump and socket was obtained from, both, analytical and experimental work. F-socket as found experimentally and used in simulation.
For the suggested composite material, the results showed that the maximum equivalent von- Mises stress is equal to 14.43 MPa for the experimental work (F-socket) which is very close to that obtained from the analytical work (15.42 MPa). It was observed that the lamination of the suggested composite material provided better results in terms of high safety factor in experimental and analytically which are 4.83 and 4.93 respectively, low deformation and comfortable feeling gained by the patient during locomotion compared to available materials.