Simplified computational approach to mimic residual stress-strain fields induced by surface treatments in spinal rods

The failure of Ti6Al4V spinal rods is a common phenomenon due to the high notch sensitivity of this alloy. Superficial mechanical treatments, like shot peening, are widely used also in the biomedical field to generate a compressive superficial residual state of stress balanced by internal positive residuals; in this way it is delayed the generation of cracks that subsequently propagate from the superficial regions. Numerical methods represent a powerful tool for the calibration of the surface treatment parameters. In these dynamic models it is simulated the impact of one or more rigid spheres on deformable substrates; the shot radius, the impact velocity and the percentage of the treated surface (coverage) are the main computational parameters examined. However, these approaches show the main disadvantage of a high computational effort that is directly proportional to the number of simulated impacts. The goal of this thesis was to develop a new strategy that could mimic a superficial residual stress-strain field with a reduced computational cost, without availing of rigid spheres; no pertinent studies were found. For this purpose, it was conceived a code that assigned a pressure to each superficial element belonging to the surface to be treated. The algorithm was applied on different geometries and its goodness was verified by means of fatigue simulations for two spinal devices. The computational results shown that, after a detailed calibration of the loading parameters and of the distribution of the pressure profiles on the surface, the approach could guarantee the improvement of the fatigue response of the treated superficial regions; however, the presence of a positive residual stress field in the sub-superficial layers determined a shortening of the fatigue life performance of these areas. A further development of the code should be conceived in order to uniformly treat more complex geometries whose residual stresses are known.

Il cedimento a fatica di barre spinali in Ti6Al4 è un fenomeno frequente a causa dell’elevata sensibilità all’intaglio di questa lega. Trattamenti meccanici superficiali, tra cui lo shot peening o pallinatura, sono ormai largamente consolidati anche in ambito biomedicale per generare sforzi residui di compressione sulla superficie bilanciati da residui di trazione interni; in questo modo, viene ritardata la generazione di cricche che propagano dalle regioni superficiali più caricate. I metodi numerici rappresentano un valido strumento per la calibrazione dei parametri dei trattamenti superficiali. In tali modelli dinamici viene simulato l’urto di una o più sfere rigide su semplici geometrie deformabili; i principali parametri computazionali in esame sono il raggio delle sfere, la velocità di impatto e la percentuale di superficie trattata (coverage). Essi mostrano il principale svantaggio di un dispendio computazionale crescente con l’aumentare del numero di impatti simulati. L’obiettivo di questa tesi è stato quello di sviluppare una nuova strategia che, senza ricorrere alle sfere rigide, potesse garantire lo sviluppo di uno stato di sforzo-deformazione residuo con un ridotto dispendio computazionale; al tal proposito, non sono stati trovati studi similari. Per questo scopo, è stato implementato un codice che restituisse una specifica pressione per ogni elemento appartenente alla superficie da trattare. L’algoritmo è stato applicato su diverse geometrie e la sua efficacia è stata verificata attraverso prove computazionali a fatica per due dispositivi spinali. I risultati hanno mostrato come, a fronte di una attenta calibrazione dei parametri di carico e della distribuzione dei profili di pressione sulla superficie, l’approccio possa garantire il miglioramento della performance a fatica per i punti superficiali dei device trattati; d’altra parte, la presenza di sforzi residui positivi nelle regioni sub-superficiali ha determinato un peggioramento della vita a fatica di queste aree. Un ulteriore sviluppo del codice dovrebbe essere eseguito per garantire il trattamento uniforme di dispositivi con geometrie più complesse di cui si conoscono le sollecitazioni residue.