采用碳纤维复合材料的假肢脚：设计、仿真及试验

假肢代表了先进的生物医学装置技术领域，所使用的假肢采用了先进的航空航天级复合材料。采用碳纤维复合材料开发假肢脚为许多截肢患者恢复充满活力、喜好运动的生活方式铺平了道路。通过结合先进的材料，了解复合材料的设计和特殊刚性以及航空航天制造技术，最终可以得到具有逼真的弯曲度、“弹性”及强度的假肢。这些栩栩如生的假肢与旧时跛脚海盗的“木腿”或“残肢”有着天壤之别！这一技术已取得长足的进步，安装了复合材料制成的脚和腿的赛跑者甚至有资格参加奥运会！

好动的用户需要“富有弹性”、结实耐用的假肢。制作此类假肢的主要难题包括疲劳耐久性以及强度、刚度和重量之间的平衡。

假肢脚需要能够适应各种地形、轻便、具有优异的减震性能和出色的能量回馈。复合材料在轻量化过程中有着举足轻重的作用。来自 Parnell 工程咨询公司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 对足跟设计进行有限元分析，尝试不同的材料属性并提出了最佳设计。

模型用 MSC Marc/Mentat 进行描述，其中接触体的定义方式为：足跟、聚氨酯为柔性接触体和过载，假定龙骨为刚性，并将材料定义为符合 Tsai-Wu 失效准则的复合材料，然后对两种聚氨酯构型结果进行对比，以便提出最终设计。

使用 Marc 进行了分析，得出的结论是：1/8" 厚的短聚氨酯足跟会导致足跟弯度增大并且更柔韧；而对于 1/16" 厚的长聚氨酯足跟，由于足跟接触更均匀，因此足跟弯度下降，并且由于较早接触龙骨，因此有着更强的刚性反应。

将两种足跟类型的不同结果进行了对比，得出的结论是：由于较早与足跟二次接触且较早与龙骨接触，因此建议的 1/16" 长足跟刚度更大。1/16" 长足跟的刚度是逐渐增加的，即使在相同的位移条件下足跟的应力结果也有所改善，因此可以承受更高的负载。

总之，采用 MSC MARC/Mentat 加实物试验的仿真方式有助于更好地理解分层失效模式。