Sviluppo di una metodologia per accelerare la creazione di modelli agli elementi finiti a supporto delle procedure di test delle placche ortopediche = Development of a methodology to accelerate the creation of finite element models to support orthopaedic plate testing procedures

Le placche ortopediche sono dispositivi medici utilizzati per il trattamento di fratture, le cui principali cause di fallimento sono la corrosione e la fatica. Al fine di commercializzare questi dispositivi, si ha la necessità di effettuare delle prove sperimentali che permettano di caratterizzare la placca meccanicamente per garantirne il corretto funzionamento a seguito dell’impianto. Questi test sono regolamentati da normative specifiche come la ASTM F382.17, la quale specifica il test da adottare e la sua realizzazione. La norma in questione permette di stimare parametri meccanici come la rigidezza a flessione, oltre al comportamento a fatica della placca. Tuttavia, questi test e le procedure necessarie per il loro svolgimento comportano costi elevati e, in particolare la prova a fatica, richiedono tempi prolungati. Per questo motivo, nasce la necessità di sviluppare nuove strategie che permettano di ridurre i tempi e i costi di esecuzione dei test. Tra queste, l'analisi agli elementi finiti (FE) consente, tramite la creazione di un modello, di replicare il setup sperimentale e le procedure interessate. Lo scopo di questo lavoro è quindi quello di sviluppare una metodologia che consenta la semplificazione delle condizioni al contorno di un modello FE, in modo da accelerare le procedure di test sperimentale e ridurne i costi. L’obiettivo finale risiede nell’implementazione della metodologia in un algoritmo con lo scopo di semi-automatizzare il processo di creazione del modello FE. Il primo passo del lavoro è stato quello di replicare tramite analisi FE il setup sperimentale. È stato realizzato un modello numerico che includesse la geometria di una placca reale e dei rulli. Per la replica delle componenti della prova sperimentale sono stati utilizzati materiali elastici lineari. Successivamente, attraverso simulazioni effettuate su un modello meno complesso, sono state definite le assunzioni sulle condizioni al contorno, con l'intento di semplificare il modello in modo coerente. In particolare, per ridurre la complessità del setup numerico, si è passati dal modello FE completo a uno semplificato in cui sono stati rimossi i rulli, fino a considerare solo la lunghezza di lavoro. Infine, la procedura è stata semi-automatizzata tramite un algoritmo sviluppato per facilitare la replica del modello. Per entrambe le condizioni di carico, sono stati riportati la freccia massima e la massima tensione equivalente (von Mises). Nel caso in cui siano stati rimossi i rulli, si è ottenuta una differenza rispetto al modello completo dell'1,1% in termini di tensione equivalente e del 7,6% in termini di spostamento. Invece, nel caso in cui la placca è stata porzionata considerando unicamente la lunghezza di lavoro, si è ottenuta una differenza dello 0,8% per la tensione equivalente e del 7,8% per lo spostamento. In seguito ai risultati ottenuti, è possibile affermare che le assunzioni definite sono realistiche e consentono di utilizzare un modello numerico semplificato per il test di flessione. È infatti possibile considerare esclusivamente la zona interessata dalla flessione, ovvero la lunghezza di lavoro. Questa considerazione permette di ridurre il costo computazionale delle simulazioni e la loro durata, che risulta ridotta del 55,0%. In conclusione, in questo lavoro è stata semplificata la configurazione e le procedure del test attraverso assunzioni sulle condizioni al contorno, le quali sono state implementate in un algoritmo che permette di semi-automatizzare la costruzione del modello.