Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕГОВЫХ ПРОТЕЗОВ

Работа №75523

Тип работы

Бакалаврская работа

Предмет

биотехнология

Объем работы55
Год сдачи2019
Стоимость4260 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
295
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


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.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!


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.



1. Андреев Н.В., Щеглов Б.О., Безуленко Н.И. 3D печать как инструмент повышения качества медицинского обслуживания // Актуальные проблемы экспериментальной, профилактической и клинической медицины: тезисы докладов XIX Тихоокеанской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием, 18 апреля, 2018 г., Владивосток / под общ. ред. В.Б. Шуматова; Тихоокеанский государственный медицинский университет. - Владивосток: Медицина ДВ, 2018. - С. 117-118.
2. Андреев Н.В. Коммерциализация технологии 3D биопринтинга // Актуальные проблемы экспериментальной, профилактической и клинической медицины : тезисы докладов XVIII Тихоокеанской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием, 19 апреля,2017 г., Владивосток / под общ. ред. В.Б. Шуматова; Тихоокеан.гос. медицинский ун-т. - Владивосток: Медицина ДВ, 2017. - С. 444.
3. Иванов Д.В., Доль А.В. Введение в метод конечных элементов: Учеб.- метод. пособие для студентов естественно-научных дисциплин. - Саратов: Амирит, 2016. - 84 с.
4. Щеглов Б.О., Андреев Н.В. Экономическое обоснование создания лаборатории 3D моделирования в частных и государственных медицинских учреждениях // Актуальные проблемы экспериментальной, профилактической и клинической медицины: тезисы докладов XIX Тихоокеанской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием, 18 апреля, 2018 г., Владивосток / под общ. ред. В.Б. Шуматова; Тихоокеанский государственный медицинский университет. - Владивосток: Медицина ДВ, 2018. - С. 659-660.
5. Baum, B. S. Amputee Locomotion: Joint Moment Adaptations to Running Speed using Running Specific Prostheses after Unilateral Transtibial Amputation // American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. - 2018. - Vol. 9., № 1.
6. Beck, O. N. Characterizing the Mechanical Properties of Running-Specific Prostheses // PLoS One. - 2016. - Vol. 11., № 12.
7. Beck, O. N. How do prosthetic stiffness, height and running speed affect the biomechanics of athletes with bilateral transtibial amputations? // Journal of The Royal Society Interface - 2017. - Vol. 14, № 131.
8. Funken, J. Three-Dimensional Take-off Step Kinetics of Long Jumpers with and without a Transtibial Amputation // Medicine & Science in Sports & Exercise. - 2018.
9. Goodfellow Carbon/Vinyl Ester Tube. [Электронный ресурс]. URL: http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=7e07b429b89c45a0bfbec28 305bc4d01&ckck=1 (дата обращения: 07.02.2019).
10. Grobler, L. Characterisation of the responsive properties of two running-specific prosthetic models // Prosthetics and Orthotics International. - 2016. -Vol.
41., № 2.
11. Hache, F. Comparison of methods for thermal analysis - Application to peek and a composite peek + carbon fibers // Journal of Fire Sciences. - 2015. - Vol. 33, № 3.
12. Hamzah, M. Experimental and numerical investigations of athletic prosthetic feet made of fiber glass reinforced epoxy // First International Conference on Recent Trends of Engineering Sciences and Sustainability. - 2017.
13. Hamzah, H. Design of a novel carbon-fiber ankle-foot prosthetic using finite element modeling // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. - 2018. - Vol. 433, № 1.
14. Hawkins, J. Development of a wearable sensor system for dynamically mapping the behavior of an energy storing and returning prosthetic foot // Measurement Science Review. - 2016, № 3., P. 174-182
15. Hobara, H. Running-specifc prostheses: The history, mechanics, and controversy // Journal of the Society of Biomechanisms. - 2014. - Vol.38., №2
16. Mechanical Properties of Carbon Fiber Composite Materials, Fiber / Epoxy
Resin (120°C Cure). [Электронный ресурс]. URL: http://www.performancecomposites.com/carbonfibre/mechanicalproperties_2.asp(дата обращения: 07.02.2019).
17. Meshram, P. Study on mechanical properties of epoxy and nylon/epoxy composite // Materials today: proceedings. - 2018. - Vol. 5., № 2.
18. Mohsin, H. Impact Response for Two Designs of Athletic Prosthetic Feet // University of Baghdad Engineering Journal. - 2018. - Vol. 24., № 3.
19. Nishikawa, Y. Mechanical stiffness of running-specific prostheses in consideration of clamped position // Mechanical Engineering Letters. - 2018. -Vol.
4., № 17.
20. Noroozi, S. Dynamic characterisation of Ossur Flex-Run prosthetic feet for a more informed prescription // Prosthetics and Orthotics International. - 2018. -Vol.
42., № 4.
21. Park, S.-J. Carbon Fibers. / ed. by R. Hull, C. Jagadish, Y. Kawazoe, R. M. Osgood, J. Parisi, U. W. Pohl, T.-Y. Seong, S. Uchida, Z. M. Wang // Springer Series in Materials Science, 2018. - 358 p.
22. Pidaparti, R. M. Engineering Finite Element Analysis. Synthesis Lectures on Mechanical Engineering. - Morgan & Claypool, 2017. - 267 с.
23. Polyether Ether Ketone B Matrix Composite reinforced by 30% carbon fibers
[Электронный ресурс]. URL:
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=polyether_ether_ketone_b_matrix_ composite_reinforced_by_30_carbon_fibers (дата обращения: 15.04.2019).
24. Praveen, M. Dispersion study of clay nanoparticles in vinylester resin // Journal of Vinyl and Additive Technology. - 2016. - Vol. 23., № 1.
25. Smith, L. R. The Blade Runner: The Discourses Surrounding Oscar Pistorius in the 2012 Olympics and Paralympics // Communication & Sport. - 2014. - Vol. 3., № 4.
26. Taboga, P. Axial and torsional stiffness of pediatric prosthetic feet // Clinical biomechanics. - 2017. - Vol. 42.
27. Walke, K. M. Mechanical properties of materials used for prosthetic foot: a review // 6th National Conference RDME - 2017, P. 61-65
28. Zhang, S. Carbon composites // Composite Materials Engineering. - 2018. - Vol. 2, P. 531-617


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ