Modélisation d'un milieu multicouche 3D sous sollicitation de contact : application aux prothèses de genou stérilisées

= Modelling of a 3D multilayered body under contact conditions : application to sterilised knee prostheses

• Auteur / Autrice : Sylvie Plumet
• Direction : Yves Berthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Biomédical
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMC - Laboratoire de Mécanique des Contacts (Lyon, INSA1962-2003)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Berthier, Michel Raous, Marie-Christine Baietto, Alain Floquet, Jean Rieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Raous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Tribologie (technologie)

Génie biomédical

Prothèses de genou

Résumé

Les revêtements , les traitements de surface couramment utilises pour répondre à des exigences de fonctionnement tribologique de plus en plus sévères. Ils doivent résister à des conditions de frottement définissant des phénomènes de fatigue voire même aboutissant à une usure critique. Avant de lancer des campagnes d'essais tribologiques, une prière étude de viabilité mécanique de la solution retenue demande l'utilisation de modèles théoriques pour éviter des incompatibilités en terme de caractéristiques thermo-mécaniques, d'épaisseur, de comportement à l'interface etc. C'est dans cet objectif qu'un modèle 3D de calcul des contraintes dans des milieux multicouches tels que des matériaux à gradient de propriétés mécaniques et revêtements/substrat, est proposé. Après résolution du problème de contact pour un solide rigide roulant et/ou glissant sur le milieu multicouche, nous étudions les champs de contraintes y compris en surface. Une méthode mi-analytique mi-numérique basée sur des transformations intégrales (Fourier) et une formulation du type Matrices de Transfert a été choisie pour sa mise en œuvre simple et ses performances en temps de calcul. Ce modèle est utilisé ici, en application aux prothèses de genou, dont une partie, l'insert tibial en UHMWPE, présente une structure multicouche induite par la stérilisation. Une étude approfondie a été menée en fonction des propriétés mécaniques des couches de l'insert, de leur épaisseur et de celle de l'insert. Elle conduit notamment à la définition d'une épaisseur minimale d'insert en fonction du poids du patient et à la quantification des différences de contraintes dans l'insert au cours d'un cycle de marche, avant et après stérilisation. Les zones potentielles de délaminage et décohésion ont été identifiées et comparées, de façon satisfaisante, à celles observées sur des prothèses explantées. Le modèle est ainsi capable à travers une étude de contraintes, de déterminer les risques de déformations plastiques, de délamin

Coating and surface treatments are more and more used to meet requirements of severe loading conditions. These coatings must withstand in particular friction conditions inducing fatigue phenomena and sometimes critical wear. Coating selection is traditionally based on experimental tests and human knowledge. Nevertheless a theoretical approach is first required to guide the choice towards the great amount of possibilities avoiding incompatibility in terms of thermo-mechanical properties, finite thickness, interface behaviour, etc. A 3D theoretical model has been therefore developed to determine internal stress field in multilayered bodies, as coating/substrate configurations or bodies with change in mechanical properties versus the depth. Internal and surface stress fields solving the contact problem of a rigid solid rolling and/or sliding over the multilayered body. An half analytical and half-numerical method based on integral transforms (Fourier) and transfer matrix formulation is proposed for its easy use and performances in computer time. This model is used here to study the knee prosthesis behaviour. One part of the prosthesis, the tibial insert made in UHMWPE, presents a multilayered configuration due to the sterilisation effects? The study has been conducted to improve the understanding of the influence of each mechanical properties and thickness of the layers and of the tibial insert thickness. For example, it leads to the definition of a minimal tibial insert finite thickness depending on the patient body weight and to the quantification of stress field variations before and after sterilisation. Delamination and decohesion zones have been identified and compared to ones on explanted prostheses with a good accuracy. The model is also able to determine if plasticity strain, delamination and cracks may occur due to tribological solicitations.