Prática padrão ASTM F3334-19 para análise de elementos finitos (FEA) de componentes tibiais ortopédicos metálicos do joelho total

Na “prática padrão ASTM F3334-19 para análise de elementos finitos (FEA) de componentes tibiais ortopédicos metálicos totais do joelho” desenvolvida pela Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM), requisitos totais ortopédicos metálicos e considerações para simulação numérica de componentes tibiais do joelho são descritos. Esta aplicação só é válida para tensões abaixo do limite de escoamento conforme indicado no certificado do material.

Este pedido inclui requisitos para o desenvolvimento de modelos de elementos finitos utilizados na avaliação de projetos metálicos ortopédicos de componentes tibiais totais do joelho com a finalidade de prever tensões e deformações estáticas de implantes. Este procedimento é utilizado para avaliação do pior caso de uma série de tamanhos de implantes diferentes do mesmo desenho de implante para reduzir a carga de testes físicos. Esta norma fornece procedimentos recomendados para realizar verificações e validação de modelos como uma ajuda para determinar se a análise segue as diretrizes recomendadas. Por fim, é apresentado o conteúdo sugerido de um relatório de engenharia abrangendo simulação mecânica.

Em termos de limitações, esta aplicação limita-se à análise estrutural estática de componentes metálicos ortopédicos totais da tíbia do joelho (exclui estimativa da resistência à fadiga).

Esta norma é válida para calcular as tensões observadas em um componente tibial do joelho quando carregado conforme descrito neste documento. Este aplicativo pode ser usado para determinar o tamanho do pior caso para um implante específico. Quando as tensões calculadas utilizando este método de análise de elementos finitos foram comparadas com as tensões medidas em dois locais na bandeja tibial utilizando técnicas de medição de deformação física realizadas em laboratório, a diferença observada foi de menos 6,8 por cento em um local (indicadores de deformação relatando maior tensão) e 3,1 por cento no outro local (o método de análise de elementos finitos relata uma tensão mais alta). Esta diferença deve ser tida em conta ao determinar o(s) tamanho(s) de pior caso para o mesmo desenho de implante.

O carregamento in vivo de designs de bandejas tibiais geralmente difere do carregamento descrito neste pedido. No entanto, esta aplicação foi projetada para permitir comparações entre o desempenho em fadiga de diferentes designs de componentes metálicos tibiais quando testados em condições semelhantes.

Os modelos de elementos finitos baseiam-se numa representação geométrica do dispositivo em consideração. Os detalhes geométricos podem ser provenientes de desenhos, modelos sólidos, desenhos preliminares ou qualquer outra fonte adequada para descrever a geometria do modelo. Ao criar o modelo de elementos finitos, certos detalhes geométricos podem ser removidos da geometria do implante ortopédico mostrada no modelo de desenho assistido por computador (CAD) se forem considerados irrelevantes para a análise pretendida. O julgamento da engenharia deve ser utilizado e justificado para determinar a extensão da simplificação geométrica.

É mais apropriado considerar a pior condição de estresse para o implante ortopédico simulado. O pior caso deve ser determinado a partir de todas as considerações de engenharia relevantes, tais como a geometria e as dimensões do componente tibial. Se a análise de elementos finitos for usada para determinar o pior caso, o tamanho do pior caso pode não ser conhecido. Pode ser necessário executar diversas dimensões para determinar o pior caso. Se os resultados da análise de elementos finitos (FEA) não determinarem definitivamente a configuração do pior caso, uma justificativa (por exemplo, análise adicional ou testes físicos) deverá ser adicionada para justificar o tamanho do pior caso.

As propriedades do material necessárias como entrada para o cálculo de deformação e deslocamento em um modelo de análise de elementos finitos linear e elástico são o módulo de elasticidade e o índice de Poisson. Esses valores podem ser obtidos a partir de dados de certificação de materiais.

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