Оптимізація конструкції протеза стопи

Автор: Войтович Микола Олегович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні технології в приладобудуванні
Інститут: Інститут комп'ютерних технологій, автоматики та метрології
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Сучасне протезування нижніх кінцівок зіштовхується з необхідністю створення функціональних, легких та довговічних конструкцій, які здатні максимально відтворити природну біомеханіку ходи [1]. Традиційні протези часто не забезпечують достатньої амортизації та не сприяють поверненню енергії під час фази відштовхування. Це обумовлює актуальність розробки енергоощадних протезів, ключовим елементом яких є пружна пластина. Об’єкт дослідження в даній роботі — конструкція динамічного енергоощадного протеза стопи. Ділянка дослідження охоплює інженерний аналіз та математичне моделювання напружено-деформованого стану (НДС) пружного елемента. Дослідження зосереджується на застосуванні передових методів топологічної оптимізації та чисельного моделювання для підвищення ефективності конструкції. Мета та методологія Призначення даної роботи полягало у досягненні оптимального інженерного балансу між мінімальною масою, цільовою функціональною жорсткістю та необхідним запасом міцності, відповідно до жорстких вимог міжнародного стандарту ISO 10328 [2]. Для досягнення поставленої мети було використано комплексний методичний підхід: ? Біомеханічне обґрунтування: Визначено ключові навантаження та жорсткісні характеристики, необхідні для імітації природного перекату стопи [3]. ? Вибір матеріалу: На основі аналізу критеріїв міцності та густини було обрано вуглецеве волокно, яке демонструє найкраще співвідношення міцності до ваги та відмінні пружні характеристики. ? CAD/CAE-моделювання: Створення тривимірної моделі та проведення Методу скінченних елементів (FEM-аналіз) у середовищі SolidWorks Simulation [4, 5]. FEM-аналіз дозволив точно симулювати НДС конструкції під дією максимальних навантажень. Опис результатів та новизна У роботі було проведено комплексний CAD/CAE-аналіз та застосовано алгоритми топологічної оптимізації [6], метою яких було виключення надлишкового матеріалу з областей із низьким рівнем напружень при збереженні ключових функціональних зон. Суть та особливості зробленої роботи: Головною особливістю є інтеграція результатів FEM-аналізу безпосередньо у процес топологічної оптимізації, що дозволило спроєктувати унікальну, високоефективну геометрію пружного елемента. Ця геометрія забезпечує спрямований розподіл напружень і сприяє акумуляції та поверненню енергії. Новизна та переваги: ? Досягнуто оптимального інженерного балансу: цільова функціональна жорсткість досягнута при мінімальній масі. ? Значне підвищення якості: Розрахунок комплексного показника якості підтвердив, що оптимізований виріб демонструє підвищення загальної якості та ефективності порівняно з базовою моделлю. Характеристики та значущість Основні техніко-експлуатаційні характеристики: ? Критерій міцності: Забезпечення необхідного запасу міцності (SF ? 3.0). ? Функціональність: Цільова жорсткість досягнута в межах проектних допусків. ? Технологічні особливості: Спроектована геометрія мінімізує концентратори напружень і є адаптованою для технологій ламінування композитних матеріалів. Значущість роботи та висновки: Проведене дослідження створює готову науково-технічну базу для серійного виготовлення функціонального, легкого та економічно вигідного протеза стопи. Економічний аналіз підтвердив фінансову доцільність і конкурентоспроможність розробки. Впровадження цієї розробки забезпечить особам з обмеженими можливостями відновлення природної ходи, значно підвищивши їхню мобільність та якість життя, що повністю відповідає сучасним світовим трендам у галузі ортопедії та медичної інженерії. Ключові слова: Протез стопи, динамічний протез, топологічна оптимізація, метод скінченних елементів, FEM-аналіз, вуглецеве волокно, біомеханіка ходи, енергоощадний протез, CAD/CAE. Список посилань на джерела: 1. [Посилання на огляд про сучасне протезування] https://protezhub.com/sites/default/files/2023-04/%D0%A2%D0%B8%D0%BF%D0%B8%20%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%BF%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%B7%D1%96%D0%B2%20%D0%BA%D1%96%D0%BD%D1%86%D1%96%D0%B2%D0%BE%D0%BA%20%281%29.pdf дата звернення 12.09.2025 2. [Посилання на стандарт ISO 10328] https://www.iso.org/obp/ui/en/#iso:std:70205:en (дата звернення 05.10.2025). 3. [Посилання на статтю про біомеханіку ходи та навантаження на стопу] https://www.scribd.com/document/692706494/%D0%A5%D0%BE%D0%B4%D1%8C%D0%B1%D0%B0-%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%96%D0%B1%D0%BD%D0%B8%D0%BA (дата звернення 14.09.2025) 4. [Посилання на посібник про FEM-аналіз] https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D1%81%D0%BA%D1%96%D0%BD%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D1%85_%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%96%D0%B2 дата звернення 05.10.2025 5. [Посилання на посібник про SolidWorks Simulation] https://www.solidworks.com/ дата звернення 13.09.2025 6. [Посилання на статтю про методи топологічної оптимізації] O. Sigmund, K. Maute, "Structural topology optimization approaches", дата публікації 05.06.2016