Оценка механических свойств элементов конструкции углепластиковых заготовок протезов стоп
Автор: Филиппов А.А., Первухин К.Е., Карнаухов Ю.Д., Лутошкин Е.А., Лосев В.М.
Статья в выпуске: 6, 2025 года.
Бесплатный доступ
Совершенствование конструкций протезов стоп человека для различных уровней физической активности, позволяющих запасать и высвобождать энергию упругой деформации при ходьбе, является актуальной комплексной задачей, т. к. требуют индивидуального подхода в проектировании с учетом особенностей каждого пациента. Композиты на основе углеткани хорошо зарекомендовали себя для применения в конструкциях протезов стоп, обладая высокими удельными упруго-прочностными показателями. Варьируя плотность, тип плетения, расположение и ориентацию слоев углеткани, возможно управлять механическими свойствами конструкции протеза в широком диапазоне, не изменяя заданной геометрии конструкции. В настоящей работе экспериментально определены упругие свойства верхней пластины углепластиковых протезов стоп человека низкого профиля. Предложены две геометрии пластин, схожие по компоновке отверстий и вырезов, но различные по длине. Варьируя схему и направление укладки слоев, были получены 8 типов верхних пластин протеза стопы. Представлены три схемы механических испытаний на изгиб, отличные между собой углом установки испытываемой пластины и плечом нагружения при постоянных параметрах геометрии нагружающего элемента и скорости перемещения точки нагружения. Получены зависимости прогиба от прикладываемой нагрузки, по углу наклона, которым определена жесткость каждой пластины. Из предложенных схем испытаний выбрана схема «изгиб в оснастке», позволяющая сравнивать значения жесткости получаемых стоп со значениями, полученными при аналогичных испытаниях. Показано, что в рассматриваемых конструкциях уменьшение толщины пластины с 11 до 6 мм и добавление слоев резины позволяет уменьшить значения жесткости в 6 раз: со 100-120 до 20-40 Н/м, что соответствует показателям жесткости аналогичных конструкций, определенных при схожих схемах механических испытаний. Изменение типоразмера верхней пластины с 205 до 225 мм позволяет снизить жесткость на 20-30 % при одинаковой технологии и структуре укладки углепластикового композита. Полученные данные будут использованы для численного моделирования механического поведения всей углепластиковой конструкции протеза стопы.
Углепластик, слоистый композит, протез стопы, механические свойства, жесткость, механические испытания, изгиб, прямое прессование препрега, вакуумная инфузия
Короткий адрес: https://sciup.org/146283341
IDR: 146283341 | УДК: 617.58-77 | DOI: 10.15593/perm.mech/2025.6.12
Evaluation of mechanical properties of structural elements of carbon fiber blanks of prosthetic feet
Improving the designs of human prosthetic feet for various levels of physical activity, allowing to store and release the energy of elastic deformation during walking, is an urgent complex task, as they require an individual approach to design, considering the characteristics of each patient. Carbon fiber-based composites have proven themselves well for use in foot prosthesis designs, having high specific elastic strength characteristics. By varying the density, type of weaving, location and orientation of the carbon fiber layers, it is possible to control the mechanical properties of the prosthesis structure in a wide range without changing the specified geometry of the structure. In this work, the elastic properties of the upper plate of carbon fiber prosthetic feet with a low profile have been experimentally determined. Two plate geometries are proposed, similar in the arrangement of holes and cutouts, but different in length. By varying the scheme and direction of the layers, 8 types of upper plates of the prosthetic foot were obtained. Three schemes of mechanical bending tests are presented, which differ from each other in the angle of installation of the tested plate and the loading shoulder with constant parameters of the geometry of the loading element and the speed of movement of the loading point. The dependences of deflection on the applied load are obtained, the angle of inclination of which determines the stiffness of each plate. From the proposed test schemes, the "bending in tooling" scheme was selected, which makes it possible to compare the stiffness values of the resulting stops with the values obtained in similar tests. It is shown that in the structures under consideration, reducing the thickness of the plate from 11 to 6 mm and adding layers of rubber makes it possible to reduce the stiffness values by 6 times: from 100-120 to 20-40 N/m, which corresponds to the stiffness values of similar structures determined by similar mechanical testing schemes. Changing the size of the upper plate from 205 to 225 mm reduces stiffness by 20-30 % with the same technology and structure of laying carbon fiber composite. The data obtained will be used to numerically simulate the mechanical behavior of the entire carbon fiber prosthetic foot structure.
