Developpement d'un banc d'essai et etude du comportement en fatigue de la quille du pied prothetique space

A new prosthetic foot, named SPACE, is designed with an acetal keel capable of being deformed in the three planes of space tending to reduce asymmetry in the walking pattern of amputees.

The first goal of this study is to design and manufacture a test bench that performs fatigue tests on prosthetic feet in conformance to the ISO 10328 standard. The second goal is to use the test bench and finite element modelling to compare the fatigue behavior of the SPACE foot keel with the SEATTLE foot keel and with the requirements of the ISO standard.

For the design of the test bench, the CAD software I-DEAS Master Series has been used to achieve the 3D modelling of all parts, a finite elements analysis of the structure, a kinematic analysis and the manufacturing drawings. After evaluation of the test bench regarding design criteria, the bench has been found satisfactory because only one requirement of the ISO standard was not respected. This requirement states that during fatigue tests, the forces applied to the foot should not vary.

For the fatigue study, three specimens were tested; a SPACE keel, a SEATTLE keel and a SEATTLE foot (with covering). The finite element simulations allows for the consolidation of the fatigue results by revealing the stress distribution within the keel of each specimen for the initial forces applied by the test bench. During the fatigue test, all specimens underwent permanent deformation indicating important mechanical damage. The finite element simulations showed a stress level above the yield strength for all specimens. Specifically, the heel block of the SPACE keel is too narrow to withstand the requirements of the ISO 10328 standard, the maximum stress being focalized in this region. (Abstract shortened by UMI.)

Alternate abstract:

Un nouveau pied prothétique, nommé SPACE, est conçu avec une quille en acétal capable de se déformer dans les trois plans de l'espace tendant à réduire l'asymétrie dans la marche des amputés.

Le premier objectif de cette étude est de concevoir et fabriquer un banc d'essai permettant de réaliser des essais de fatigue sur pieds prothétiques conformément à la norme ISO 10328. Le deuxième objectif est d'utiliser le banc d'essai et la modélisation par éléments finis pour comparer le comportement en fatigue du pied de quille SPACE avec le pied de quille SEATTLE et avec les exigences de la norme ISO.

Pour la conception du banc d'essai, le logiciel de CAO I-DEAS Master Series a été utilisé pour réaliser la modélisation 3D de toutes les pièces, une analyse par éléments finis de la structure, une analyse cinématique et les plans de fabrication. Après évaluation du banc d'essai au regard des critères de conception, le banc a été jugé satisfaisant car une seule exigence de la norme ISO n'a pas été respectée. Cette exigence précise que lors des essais de fatigue, les efforts appliqués au pied ne doivent pas varier.

Pour l'étude de fatigue, trois éprouvettes ont été testées ; une quille SPACE, une quille SEATTLE et un pied SEATTLE (avec bâche). Les simulations par éléments finis permettent de consolider les résultats de fatigue en révélant la répartition des contraintes au sein de la quille de chaque éprouvette pour les efforts initiaux appliqués par le banc d'essai. Au cours de l'essai de fatigue, tous les spécimens ont subi une déformation permanente indiquant des dommages mécaniques importants. Les simulations par éléments finis ont montré un niveau de contrainte supérieur à la limite d'élasticité pour tous les spécimens. En effet, la talonnière de la quille SPACE est trop étroite pour supporter les exigences de la norme ISO 10328, la contrainte maximale étant focalisée dans cette zone. (Résumé abrégé par UMI.)