ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Исторические аспекты 7
1.2 Краткий обзор метода конечных элементов 7
1.3 Иллюстрация МКЭ на примере 9
1.4 Разбиение на конечные элементы 12
1.5 Обзор программных средств для реализации МКЭ 13
1.6 Общий порядок выполнения анализа МКЭ 15
1.7 Обзор конструкций и материалов беговых протезов 16
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 21
2.1 Процесс анализа 21
2.2 Выбор конструкции лезвия 22
2.3 Выбор материала 24
2.4 Приложение нагрузки и граничные условия 26
2.5 Результаты и рассуждения 27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Протез или протез конечности - это искусственный заменитель утраченной части тела. В случае атлетов протезы нижних конечностей проектируются с фокусом на передачу скорости и энергии. Беговой протез состоит из трех основных частей: изготовленная на заказ гильза, которая соединяет протез и тело атлета, коленный сустав и беговое лезвие. Во время бега используется только передняя часть ступни, поэтому лезвия спроектированы так, чтобы выполнять функцию передней части стопы, и не имеют пятки. Лезвия имеют шипованную подошву для устойчивости и увеличения сцепления с поверхностью трека [15].
Ключевым показателем во время бега является сила нормальной реакции, что в результате отражается на частоте и длине шага [6]. Также, решающее значение имеет жесткость, обеспечиваемая коленным суставом [19]. Было отмечено, что жесткость нижних конечностей здоровых участников обычно остается неизменной вплоть до средних скоростей бега вследствие компенсации изменения длины отскока ногой от земли, и что она увеличивается на высоких скоростях [5, 10, 26]. Однако предполагается, что атлеты с беговыми протезами не могут контролировать жесткость нижних конечностей в той же степени вследствие инертной природы протеза и утрате колена и/или лодыжки.
Актуальность работы обусловлена тем, что на данный момент благодаря внедрению новых технологий [1, 2, 4] все большее число людей с ограниченными способностями принимают участие в Паралимпийских играх. Беговые протезы, используемые спортсменами в легкой атлетике, работают по принципу пружины, что позволяет атлетам бегать и прыгать. Поэтому необходимо изучить влияние материалов на механические характеристики протезов.
Цель данной работы - подобрать материал для беговых протезов, который мог бы выдержать повторяющиеся механические напряжения и деформации, возникающие при обычном использовании.
Следуя цели работы, поставлены такие задачи:
- провести обзор литературы по теме исследования;
- выбрать средство для реализации метода конечных элементов;
- использовать программное обеспечение для моделирования беговых протезов и анализа методом конечных элементов (МКЭ).
Объектом исследования является МКЭ, применимый к беговым лезвиям, а предметом исследования - различные композитные материалы.
Научная и практическая значимость данной работы определяется тем, что изучение влияния свойств композитных материалов на механические характеристики протезов при помощи систем автоматизированного проектирования (САПР) является одним из наиболее эффективных и дешевых методов исследования на сегодняшний день. Реализованные в программном продукте вычисления позволяют в точности получить представление о процессах, происходящих с беговыми протезами при обычном использовании.
В настоящей выпускной квалификационной работе было исследовано влияние свойств композитных материалов на механические характеристики беговых протезов.
На основании статей, учебных и методических пособий были рассмотрены и проанализированы:
• теоретические основы МКЭ;
• программные средств для проведения анализа МКЭ;
• теоретические принципы работы беговых протезов.
В результате выполнения практической части был проведен анализ механического напряжения и деформации двух различных конструкций беговых протезов в САПР Autodesk Inventor, на основании которого были проведены соответствующие выводы по ряду параметров.
Перспективными направлениями для дальнейших исследований являются:
• изучение влияния свойств трехкомпонентных композитных материалов на беговые протезы с использованием МКЭ;
• изучения влияния свойств композитных материалов на беговые протезы вне САПР, используя лабораторные установки и воссозданные на 3D принтере прототипы беговых протезов;
• исследование влияния различных характеристик беговых протезов на биомеханику атлетов с ампутацией нижних конечностей.
