Note publique d'information : 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
Note publique d'information : 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.
paprika.idref.fr
data.idref.fr
Documentation
