Analisi agli elementi finiti e validazione sperimentale del comportamento a fatica di placche ortopediche = Finite element analysis and experimental validation of the fatigue behavior of orthopedic plates

Le fratture ossee che interessano gli arti inferiori rientrano tra le lesioni più comunemente trattate dagli specialisti ortopedici, rendendo fondamentale la scelta del sistema di osteosintesi più idoneo per garantire la stabilità meccanica e favorire la corretta guarigione ossea. In questo contesto, le placche ortopediche costituiscono uno dei metodi di fissazione più utilizzati, ma affinché esse vengano validate dal punto di vista strutturale, sono necessarie prove sperimentali, sia statiche che a fatica, le quali risultano dispendiose in termini di tempi e costi. Pertanto, lo scopo principale del presente elaborato di tesi è proporre un metodo computazionale che consenta di valutare la resistenza a fatica di ciascun dispositivo, al fine di ridurre il numero di test condotti sperimentalmente. In particolare, lo studio si concentra sul comportamento meccanico di tre dispositivi che differiscono per geometria, materiale e regione anatomica di interesse; infatti, una placca è destinata alla tibia distale ed altre due alla diafisi femorale. Nella fase iniziale del lavoro è stata condotta un’analisi numerica mediante il Metodo degli Elementi Finiti (FEM), utilizzando il software Abaqus. Quest’ultimo ha permesso di modellare tridimensionalmente il setup sperimentale e di definire vincoli e condizioni di carico secondo la normativa ASTM F382, la quale regola le prove di flessione a quattro punti, sia statiche che a fatica. In un primo momento, le simulazioni sono state condotte considerando il setup completo, che include placche, rulli di carico, rulli di supporto ed eventuali estensioni. Successivamente, in fase di ottimizzazione, il modello è stato semplificato rimuovendo i rulli, con lo scopo di diminuire i tempi di simulazione ed eliminare i problemi legati al contatto tra i diversi componenti. La fase di post-processing, per i casi analizzati, è stata automatizzata tramite Matlab, utilizzando le funzioni del pacchetto Abaqus2Matlab, grazie al quale è stato possibile estrarre le tensioni massime nella zona critica delle placche, al fine di valutare la vita a fatica di queste ultime mediante i criteri di Goodman, Gerber e Walker. Infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati derivanti da prove sperimentali precedentemente condotte, al fine di validare sia il modello FEM che l’intero processo di post-processing, verificando la coerenza tra analisi numeriche e sperimentali. In primo luogo, è possibile affermare che la semplificazione del modello, attraverso l’eliminazione dei rulli, consente una riduzione dei tempi di simulazione superiore al 60%, senza compromettere significativamente l'accuratezza delle tensioni di Von Mises ottenute. Dal confronto numerico-sperimentale è possibile evidenziare che l’errore massimo dei parametri caratteristici della fase statica varia tra lo 0.7% e il 23%, a seconda del dispositivo analizzato. Per quanto riguarda la stima della vita a fatica, i modelli di Gerber e Walker si sono dimostrati maggiormente affidabili nella maggior parte dei casi analizzati, con errori massimi del 9%, mentre il criterio di Goodman risulta spesso troppo conservativo, specialmente in presenza di contatti complessi, arrivando ad una sottostima massima del carico di runout del 19% circa. In conclusione, il metodo sviluppato propone una valida strategia per ridurre il numero di test sperimentali necessari, fornendo un’adeguata stima preliminare delle prestazioni meccaniche dei dispositivi biomeccanici analizzati.