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Année universitaire 2021/2022 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE M

Année universitaire 2021/2022 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Mémoire de fin d’études Pour l’obtention du Diplôme de Master (LMD) Spécialité : Génie Mécanique Option : Génie des matériaux Thème Etude numérique de l’implant tibial pré-fissuré en Alumine d’une prothèse totale de genou Réalisé par : - AROUF Samir - HALIMA Fatih Directeur de mémoire : Dr. MEDDOUR Belkacem Devant le jury : Président Dr. Berkia Abdelhak Université Abbes Laghrour KHENCHELA Rapporteur Dr. Meddour Belkacem Université Abbes Laghrour KHENCHELA Examinateur Dr. Chitour Mourad Université Abbes Laghrour KHENCHELA UNIVERSITE ABBES LAGHROUR KHENCHELA FACULTE DES SCIENCES & DE LA TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE جاهعة عباس لغرور خنشلة كلية العلىم والتكنىلىجيا قسن الهندسة الويكانيكية No. Réf. : …..........… I Résumé L’articulation du genou parait complexe du fait qu’elle soit très active et supporte des chargements et des mouvements importants, ce qui montre bien qu’elle est le siège de pathologies assez nombreuses. Le traitement nécessite parfois une intervention chirurgicale soit pour réparer soit pour implanter une prothèse totale. Le succès de l’arthroplastie réalisée dépend de plusieurs facteurs l’un d’eux est bien le bon choix du matériau. La proposition de l’alumine comme matériau alternatif émane du fait de ses avantages mais son inconvénient principal est bien la fragilité c’est dans contexte que ce travail a été réalisé. On a conçu la prothèse avec Solidworks et au moyen de Abaqus on a pu réaliser la simulation numérique en considérant un défaut préalable sur l’implant fémoral et en faisant augmenter la longueur de la fissure crée jusqu’à une valeur donnée. Les résultats obtenus montrent que l’alumine se comporte bien du point de vue de fragilité. Mots Clés : prothèse totale, implant fémoral, pré-fissuré, contrainte, alumine. Abstract The knee joint seems complex due to the fact that it is very active and supports significant loads and movements, which clearly shows that it is the site of quite a number of pathologies. The treatment sometimes requires surgery either to repair or to implant a total prosthesis. The success of the arthroplasty performed depends on several factors, one of them is the right choice of material. The proposal of alumina as an alternative material comes from the fact of its advantages but its main disadvantage is the fragility it is in the context that this work was carried out. We designed the prosthesis with Solidworks and using Abaqus we were able to perform the numerical simulation by considering a prior defect on the femoral implant and by increasing the length of the crack created up to a given value. The results obtained show that alumina behaves well from the point of view of fragility. Keywords: total prosthesis, tibial implant, pre-cracked, stress, alumina ملخص يبدو مفصل الركبة معقدًا نظرًا لحقيقة أنه نشط للغاية ويدعم األحمال والحركات ،الكبيرة مما يدل بوضوح على أنه موقع لعدد كبير من األمراض .يتطلب العالج أحيانًا إجراء عملية جراحية إما إلصالح أو لزرع طرف اصطناعي كامل .يعتمد نجاح عملية تقويم المفاصل على عدة عو،امل أحدها هو االختيار الصحيح للمادة .يأتي اقتراح األلومينا كمادة بديلة من حقيقة مزاياها ولكن عيبها الرئيسي هو هشاشتها وفي هذا II السياق تم انجاز هذا العمل .لقد صممنا الطرف االصطناعي باستخدام سولدوركس وباستخدام ابكيس تمكنا من إجراء المحاكاة العددية من خالل النظر في عيب سابق في الغرسة الفخذية ومن خالل زيادة طول الشق الذي تم إنشاؤه إلى قيمة معينة .أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن األلومينا تتصرف بشكل جيد من وجهة نظر الهشاشة. الكلمات المفتاحية :طرف إصطناع ي كامل، ال غرسة الفخذية مشقوق مسبقا، اجهاد، .األلومين III إه ــــــــــــ ـ داء أ هدي حبثي هذا ىلإ من قال اهلل تعاىل فيهما ''او خفض هلما جناح الذل من الرمحة قل و ربي ارمحهما كما ربياني صغريا '' اللذان طاملا حلما أن يبصرا جناحي و أخذا بيدي ووفرا لي سبيل التعلم و َما قد لي الدعم الالزم "والداي حفظكما اهلل و أ سأل اهلل الرمحن الرحيم أن جيعل هذا العمل يف ميزان حسناتكما و أن يكون صدقة جارية تنفعكما" IV REMERCIEMENTS A mon Directeur de Thèse Monsieur le Docteur MEDDOUR Belkacem Qui est à l’origine de ce travail et qui a su me donner la motivation et l’énergie pour l’accomplir. Sa qualité d’encadrement ainsi que l’aide précieuse qu’il m’as apportée lors de la phase de rédaction de ce mémoire.ses nombreux conseils, sa rigueur scientifique, son soutien et ses qualités humaines m’ont permis de mener à bien cette thèse. Veuillez trouver dans ce travail le témoignage de ma haute considération et de mon profond respect. A Monsieur le Docteur BECHOUA Khaled, Je vous remercie de l’honneur que vous me faites chaque fois que j’ai besoin de vous. Je t’exprime mes plus sincères remerciements pour ta disponibilité et ta profonde gentillesse. J’exprime mes sincères remerciements aux membres de jury pour l’intérêt qu’ils ont montré en acceptant de rapporter ma thèse. J’exprime toute ma gratitude à mes professeurs de Département Génie Mécanique pour leurs gentillesses, leurs patiences, leurs compétences scientifiques et qui ont contribués d’une façon indirect à me redonner l’envie de poursuivre mes études. De plus, je tiens à remercier mes amis de promotion dont j’ai bénéficié d’un grand respect et d’une ambiance très sympathique aussi bien du coté scientifique que humain. Je tiens à remercier ma femme, qui n’a cessée de m’encourager, m’aider, du début jusqu’à la fin. Je remercie aussi mes enfants, Pour leurs encouragements. J’espère que je sois leur icône afin de bien étudier. Enfin, mes pensées se tournent vers ma famille, mes proches et mes amis. Sommaire VI Résumé……………………………………………………….......................................I Dédicace………………………………………………..............................................III Remerciements……………………………………………………………………….IV Sommaire……………………………………………………………………...............V Liste des figures……………………………………………………………...............IX Liste des tableaux……………………...……………………………..…………......XII Nomenclature……………………………………………...…………………….....XIII Introduction…...............................................................................................................a Chapitre I Etude bibliographique de l’articulation de genou I. Anatomie de l’articulation du genou ……………………………………………......1 I.1. Le cartilage………………………………………………………………..…....2 I.1.1. Muscles du genou………………………………………………………....2 I.1.2. Les ménisques …………………………………………………………….3 I.2. Pathologies affectant l’articulation du genou ………………………………….4 I.2.1. L’arthrose………………………………………………………………....4 I.2.2. l’arthrite …………………………………………………………………..5 I.3. La prothèse totale de genou …………………………………………………...5 I.3.1. Généralités………………………………………………………………...6 I.3.2. La prothèse totale ………………………………………………………...7 I.3.3. La prothèse unicondylienne……………………………………………….8 I.3.4. La prothèse fémoro-patellaire……………………………………………..9 I.4. Paramètres géométriques de la prothèse totale du genou……………………....9 I.4.1. Définition des axes géométriques et angles …………………………........9 Chapitre II Etude bibliographique de l’Alumine II.1. Cristallographie de l’Alumine………………………………………………..12 II.2. Nouveaux types d’Alumine………………………………………………….14 II.2.1. Hydroxydes d'aluminium……………………………….……………....15 II.2.2. Oxyde d'aluminium Al2O3 ……………………………………………..15 II.3. Défauts de structure dans les alumines……………………………………....16 II.3. Extraction de l'alumine………………………………………………………17 Sommaire VII II.3.1. Procédé Deville………………………………………………………. ..17 II.3.2. Procédé Bayer…………………………………………………………..18 II.4. Biocompatibilité de l’alumine………………………………………………20 Chapitre III Biomécanique de l’articulation du genou III. Etude biomécanique du genou…………………………………………………...21 III.1.Définition de la biomécanique……………………………………………….21 III.2.Types d’articulations du corps humain………………………………………21 III.2.1.Les énarthroses ………………………………………………………...22 III.2.2.Les condylarthroses…………………………………………………….22 III.2.3.Diarthroses et articulations Pivot ………………………………………22 III.2.4.Les articulations de selle………………………………………………..22 III.2.5.Les arthrodies ………………………………………………………….22 III.3.Plans et axes de référence anatomiques ……………………………………..23 III.4.Mouvements du genou ………………………………………………………23 III.4.1.La libération de l’articulation fémoro-tibiale …………………………..24 III.4.2.Les mouvements des condyles sur les glènes ………………………….24 III.4.3.Les ménisques et leurs déplacements ………………………………….25 III.4.4.Déplacements entre rotule et fémur …………………………………....26 III.4.5.Déplacements entre rotule et tibia ……………………………………..26 III.5.Appareil locomoteur ………………………………………………………...27 III.5.1.Les extenseurs du genou ……………………………………………….27 III.5.2.Les fléchisseurs du genou………………………………………………30 III.6.Analyse de la marche ………………………………………………………..32 III.6.1.Les différentes phases du cycle de marche …………………………….33 III.6.2.Muscles intervenant dans la marche……………………………………35 III.6.3.Calcul des réactions au genou ………………………………………….35 III.7.Conclusion…………………………………………………………………...37 Chapitre IV Simulation numérique de l’implant Pré-fissuré IV.1. Présentation des Logiciels utilisés…………………………………………..38 IV.1.1. Solidworks……………………………………………………………..38 IV.1.2. Abaqus ………………………………………………………………...39 IV.2. Modélisation 3D de la Prothèse totale du Genou [Solidworks]…………….40 Sommaire VIII IV.2.1. Etapes à suivre…………………………………………………………40 IV.2.2. Création d'esquisses……………………………………………………42 IV.2.3. Fonctions………………………………………………………………42 IV.3. Construction de la prothèse totale du genou………………………………..43 IV.3.1. Implant fémoral ……………………………………………………….43 IV.3.2. L'implant tibial ………………………………………………………...46 IV.3.3. Pièce représentant le fémur…………………………………………….48 IV.4. Simulation numérique du cas statique et mécanique de la rupture de la prothèse de genou…………………………………………..……………….50 IV.4.1.Présentation du problème ……………………………………………...50 IV.4.1.1. Sujet………………………………………………………………51 IV.4.1.2. Matériaux utilisés pour la prothèse totale………………………...51 IV.4.1.3. Chargement……………………………………………………….51 IV.5. Résultats ……………………………………………………………………52 IV.5.1. Distribution des contraintes …………………………………………...52 IV.5.1.1. Cas de longueur de fissure de 0.5 mm …………………………...52 IV.5.2. Cas de longueur de fissure de 0.75 mm…………………………...…..53 IV.5.3. Cas de longueur de fissure de 1.00 mm ……………………………….54 IV.5.4. Cas de longueur de fissure de 1.25 mm ……………………………….55 IV.5.5. Cas de longueur de fissure de 1.50 mm ……………………………….56 IV.5.6. Courbes d'évolution des contraintes…………………………………...57 IV.5.7. Calcul du facteur de d’intensité de contraintes KI……………………..63 IV.6. Discussion des résultats……………………………………………………..67 IV.6.1. Distributions des contraintes…………………………………………..67 IV.6.2.Evolution des contraintes σyy …………………………………………..67 Conclusion générale...................................................................................…….....70 Références...................................................................................………………....71 Liste des figures IX CHAPITRE I Figure.I.1:Vues frontale et sagittale des os du genou. Les os sont surlignés en couleur afin d’améliorer leur visibilité.......................................................1 Figure.I.2:Le cartilage du genou……………………………………………………..2 Figure.I.3:Les muscles du genou……………………………………………………..3 Figure.I.4:Les ménisques du genou…………………………………………………..4 Figure.I.5:Déformation des membres inférieurs : (a) Genu-valgum, (b) Membres axés et (c) Genu-varum……………….……………………………..........5 Figure.I.6:Prothèse totale de genou…..........................................................................6 Figure.I.7:Prothèse contrainte à charnière…………………………………………....6 Figure.I.8:Prothèse non contrainte à glissement……………………………………..7 Figure.I.9:La prothèse totale…………………………………………………………8 Figure.I.10:La prothèse unicondylienne……………………………………………...8 Figure.I.11:La prothèse fémoro-patellaire……………………………………………9 Figure.I.12:Définition des axes géométriques………………………………………10 Figure.I.13:Angles axes fémur-tibia………………………………………………...11 CHAPITRE II Figure.II.1:Maille élémentaire de l’alumine-α………………………………...……12 Figure.II.2:Maille élémentaire de l’alumine-γ….......................................................13 Figure.II.3:Maille élémentaire de l’alumine-θ ……………………………………..13 Figure.II.4:Maille élémentaire de l’alumine-κ ……………………………………..14 Figure.II.5:Séquence de déshydratation de l'alumine à l’air (voie b : favorisée par1'humidité, l'alcalinité ou de grosses particules (100μ), voie a : favorisée par de fines particules (<10μ))……………………................15 Figure.II.6:Le procédé Deville……………………………………………………...18 Figure.II.7:Procédé Bayer…………………………………………………………..19 CHAPITRE III Figure.III.1:Types d’articulations mobiles : 1-Enarthroses ; 2- Les condylarthroses ; 3- Les diarthroses ; 4- Les articulations pivot ; 5-Les articulations en selle ; 6- Les arthrodies………………………..21 Figure.III.2:Plans et Axes de référence………………………………...………….23 Figure.III.3:Amplitude uploads/Ingenierie_Lourd/ memoire-final-2022.pdf