A study and a pre-design of a type of a composite material prosthesis for amateur runners with transtibial amputation

Nesse trabalho, foi desenvolvido um projeto preliminar de um tipo de prótese em forma de mola para pessoas com amputação transtibial O material escolhido foi uma matriz epóxi com reforço de fibra de carbono. A biomecânica da marcha humana em não amputados foi estudada, e seu comportamento foi utilizado para a definição da geometria da prótese e dos esforços que ela deve suportar em uma corrida em linha reta. As propriedades do compósito foram obtidas através de testes experimentais em corpos de prova, cálculos da micromecânica e informações de propriedades mecânicas indicadas por seus fornecedores e pela bibliografia. A geometria da prótese foi modelada em casca, e seu comportamento foi simulado em um software através de análises de elementos finitos. Para um dimensionamento inicial do projeto, cálculos de esforços foram considerados assumindo um sujeito de massa igual a 60 kg. As estimativas de carregamentos foram feitas utilizando um processo de interpolação das informações da literatura. A geometria da prótese e a sua sequência de laminação foram definidas pelo critério de falha adotado. Com a intenção de prevenir uma possível falha do protótipo, a prótese foi superdimensionada. Para maiores refinamentos dos esforços estimados, testes experimentais em protótipos devem ser realizados. Além disso, esforços em corridas em curvas devem ser avaliados, porque podem alterar substancialmente a sequência de laminação da prótese pré-projetada.This work presents the preliminary design of a type of spring shaped prosthesis for persons with transtibial amputation. The chosen material is an epoxy matrix with carbon fiber reinforcement. The biomechanics of human gait in non-amputees was studied, and their behavior was used to define the prosthesis geometry and the efforts that it must endure on a straight running. The properties of the composite were obtained by experimental tests on specimens, micromechanics calculations and mechanical properties data from suppliers and literature. The prosthesis geometry was modeled as a shell, and its behavior was simulated with finite element analysis software. As an initial design choice, load calculations were conducted assuming a 60 kg subject mass. Load estimation was conducted using an interpolation process from literature data. Prosthesis geometry and lamination layup were defined for the failure criterion adopted. To prevent a possible prototype failure, the prosthesis was oversized. Experimental tests should be conducted with the prototype in order to further refine the load estimation. Additionally, curve running loads should be evaluated, which could substantially change the sequence of lamination of the pre-designed prosthesis