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ANÁLISIS NO LINEAL POR ELMENTO FINITO PARA MEJORAR LA VIDA ÚTIL EN INSERTOSPARA MEJORAR LA VIDA ÚTIL EN INSERTOS DE PRÓTESIS DE ARTICULACIÓN DE RODILLA
Instituto Tecnológico de Celaya
M.C. AGUSTÍN VIDAL LESSO RAÚL LESSO ARROYODepto. Ingeniería MecatrónicaInstituto Tecnológico de Celaya J. SANTOS GARCIA MIRANDA
Depto. Ingeniería MecánicaInstituto Tecnológico de CelayaInstituto Tecnológico de Celaya
agusvile@yahoo.com.mx, rlesso@itc.mx, santosg@itc.mx.
08/08/08ITC
01-461 6117575 ext. 320 y 207
CONTENIDOCONTENIDOINTRODUCCIÓN
OBJETIVO
METODOLOGÍA
RESULTADOSRESULTADOS
CONCLUSIONES
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INTRODUCCIÓNCASOS DE DESGASTE DE CARTÍLAGO DE RODILLA (OSTEOARTRITIS)
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Año 2010PRÓTESIS DE RODILLAPRÓTESIS DE RODILLA
Aprox. 3.5 millones depersonas con osteoartritisde rodillade rodilla.
DesgasteDesgaste del inserto
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OBJETIVO
Aumentar la vida útil de los insertos de prótesis de articulación deprodilla
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METODOLOGÍAAnálisis mediante el Método de
Elemento Finito (MEF)
MATERIALES
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Modelo analítico de profundidad deFischer-Cripps et al.2 Modelo analítico de profundidad de penetración en prueba Berkovich
( )⎪⎧ ( ) ⎪⎫⎤⎡( )⎪⎩
⎪⎨⎧
=− 212tan33 HHht θ ( )
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
+*2
22E
Hβπ
ππ
,correccióndegeométricofactorβdureza,H aplicada,cargaP n,penetraciódedprofundidaht
====
corregidoYoungdemóduloE,correccióndegeométricofactorβ dureza,H
* =
Oliver W. C. et al.1 Módulo elástico corregido
'111 22 vv −−
Módulo elástico corregido
'11
*1
Ev
Ev
E+=
E*= módulo elástico corregido E v= módulo elástico y relación
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E*= módulo elástico corregido, E, v= módulo elástico y relaciónde Poisson del material penetrado, E’ , v’= módulo elástico yrelación de Poisson del material del indentador
Modelos simplificados de nanoindentación y prótesis de rodilla•Indentador tipo Berkovich con un semiángulo de 65.27º
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RESULTADOS
Distribución de esfuerzos de vonDistribución de esfuerzos de von Mises en prueba de
nanoindentación
Desplazamientos
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6 00E+00
4.00E+00
5.00E+00
6.00E+00tr
ació
n (n
m)
Comparación de la curva depenetración experimental y
1 00E+00
2.00E+00
3.00E+00
fund
idad
pen
et ht anal. sim.
ht exp.
penetración experimental yanalítica-simulación.
0.00E+00
1.00E+00
0.00E+00 2.00E+01 4.00E+01 6.00E+01 8.00E+01
Carga (microN)
Prof
g ( )
2.00E+08
2.50E+08
H exp (Pa)
1.00E+08
1.50E+08
Dure
za (P
a) H sim (Pa)
Comparación de la curvade dureza experimental y
0.00E+00
5.00E+07
0.00E+00 1.00E+01 2.00E+01 3.00E+01 4.00E+01 5.00E+01 6.00E+01 7.00E+01 8.00E+01
analítica-simulación.
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Carga (microN)
Esfuerzos de von Mises (MPa) enEsfuerzos de von Mises (MPa) enUHMWPE sin recubrimiento.
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3000
2000
2500
3000is
es (M
Pa)
Comportamiento del esfuerzode von Mises del
500
1000
1500
fuer
zo v
on M recubrimiento versus su
espesor.
0
500
0 100 200 300 400 500 600 700
Espesor (micras)
Esf
Espesor (micras)
2 50E+01
3.00E+01
da
1.50E+01
2.00E+01
2.50E+01e
cicl
os d
e vi
Comportamiento del número deciclos de vida del recubrimientoversus su espesor.
0 00E+00
5.00E+00
1.00E+01
Num
ero
de
p
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0.00E+000 100 200 300 400 500 600 700
Espesor recubrimiento
CONCLUSIONES
Se logró reproducir satisfactoriamente la prueba de nanoindentación demanera virtual.
Los resultados obtenidos en la prueba de nanoindentación porsimulación, presentan una buena correlación con los resultadosexperimentales.
El recubrimiento genera esfuerzos menores en el substrato y produceuna distribución mas uniforme de esfuerzos en éste.
El espesor del recubrimiento influye en su magnitud de esfuerzo,encontrándose un decremento de hasta 50.84% al mayor espesoranalizado; produciendo con ello un aumento de vida útil del inserto
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analizado; produciendo con ello, un aumento de vida útil del inserto.
Á
[1] Oliver W C Pharr G M An improved technique for determining hardness and
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Oliver W.C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness andelastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J.Mater. Res., Vol. 7, No. 6, June 1992.[2] Fischer-Cripps A C Simulation of sub-micron indentation tests with spherical and[2] Fischer Cripps A.C. Simulation of sub micron indentation tests with spherical andBerkovich indenters. J. Mater. Res., Vol. 16, No. 7, Jul 2001.[3] Giannakopoulos A.E., Larsson P.-L. Analysis of pyramid indentation of pressure-sensitive hard metals and ceramics. Mechanics of Materials 25 (1997) 1-35.( )[4] Zhaohui Shan. Nanoindentation Studies and Material Characterization. NationalScience Foundation.[5] Zhang F., Saha R., Huang Y., Nix W.D., Hwang K.C., Qu S., Li M. Indentation of[ ] g g ga hard film on a soft substrate: Strain gradient hardening effects. InternationalJournal of Plasticity 23 (2007) 25–43.[6] Pérez P. A., Lesso A. R.. Análisis y simulación de esfuerzos de contacto enprótesis de articulación de rodilla. Agosto, 2008.[7] Fischer-Cripps Anthony C. Nanoindentation. Second Edition. Pages 1-8.[8] Rivera R. C. Depósito por ablación láser de películas de TIN sobre UHMWPE.
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4to Verano Estatal de Investigación. Agosto 2007.
14/12/07ITC