Estudio y comparación numérica mediante el método de elementos finitos de ensayos experimentales de tensión tangencial pura y simple en membranas de silicona médica

Este proyecto tiene como objetivo el estudio de los parámetros geométricos que condicionan los resultados obtenidos en ensayos de tensión tangencial para la caracterización de materiales compuestos, elastómeros y tejidos biológicos. Con objeto de poder asegurar la reproducibilidad de la silicon utilizada, se han realizado en el laboratorio ensayos con probetas rectangulares variando su relación entre la longitud y la anchura de las mismas, todas ellas normalizadas y cuyas medidas se reproducen en el ámbito de la ingeniería biomédica

Comportamiento mecánico de tejidos blandos tipo multicapa

Se propone y valida un método para determinar propiedades mecánicas de materiales mediante el uso de ensayos de indentación combinado con un modelo numérico desarrollado mediante el método de los elementos finitos. Después de validar el procedimiento para materiales con comportamiento lineal o no, individuales o en configuración multicapa, se procede a la experimentación in-vivo sobre un modelo biológico multicapa específico, en el que se considera las capas cutis, hipodermis y músculo. Se genera una lista de factores experimentales que pueden afectar la respuesta mecánica de tejido blando, de los cuales finalmente se concluye que tienen incidencia: temperatura ambiente, temperatura del indentador, presión de la bomba y actividad muscular, y sus interacciones; con lo cual es posible plantear ecuaciones constitutivas más reales para su uso futuro en modelos numéricos de la pielAbstract: This study proposes a method to determine the mechanical properties of materials by the use of the indentation test in combining with a numerical finite elements model. The method was validated and applied for linear and non-linear mechanical behavior, monolayer and multilayer materials. In vivo test was carried out for obtaining constitutive equations of multilayer biological model (cutis, hypodermis and muscle). From a list of factors was established the incidence of: environment temperature, indenter temperature, pump pressure and activity muscle, and their interactions. Finally, constitutive equations were obtained for their use in further numerical models.Maestrí

Caracterización funcional con método de elementos finitos de los componentes de un implante para el tratamiento de incontinencia urinaria: estudio in vivo

Proyecto Integrador (I.Biom.)--FCEFN-UNC, 2018Proyecto Integrador (I.Biom.)--FCEFN-UNC, 2018 Analiza el comportamiento mecánico del implante VICTO+ producido por PROMEDON S.A., dentro de un entorno biológico simplificado. Simula el comportamiento mecánico de un esfinter urinario artificial masculino una vez implantado en el cuerpo humano, analizando su comportamiento ante variaciones de la presión intra-abdominal. Debido a que el implante constituye un pequeño sistema hidráulico al contener líquido en su interior, fue necesario trabajar con cavidades de fluido dentro del model

Diseño y construcción de una prótesis mecánica para amputación transmetacarpal controlada por muñón flexible y cables para una persona adulta

La investigación se centró en el diseño y construcción de una prótesis mecánica para amputación transmetacarpal controlada por muñón flexible y cables, para mejorar la capacidad de realizar actividades cotidianas de los usuarios. Se realizó una amplia investigación de la anatomía y biomecánica de la mano, así como de las necesidades y expectativas de los usuarios, utilizando un enfoque interdisciplinario que combina la ingeniería, la biomecánica, la psicología y la ergonomía. El desarrollo del proyecto comenzó con un análisis de las necesidades del usuario y la definición del alcance de la prótesis. Luego se procedió al prototipado utilizando tecnología de barrido mediante nube de puntos y se plasmaron las demandas del usuario en un prototipo. Se realizó un estudio CAE para validar el diseño y la selección de materiales de cada una de las partes de la prótesis, utilizando TPU y PLA debido a su resistencia y biocompatibilidad con la piel. Se evaluó la funcionalidad de la prótesis mediante un protocolo de pruebas bajo la norma AHAP y se obtuvieron resultados satisfactorios con un 60% de satisfacción según la norma. La prótesis presentó una buena capacidad de agarre a bajo costo en comparación con las prótesis existentes en el mercado y puede ser mejorada aumentando la capacidad de carga, incrementando el número de hilos y rediseñando las articulaciones. En conclusión, la investigación logró diseñar y construir una prótesis mecánica que mejora la capacidad de realizar actividades cotidianas de los usuarios con amputación transmetacarpal. El enfoque interdisciplinario y la utilización de tecnología de vanguardia permitieron validar el diseño y se logró una buena capacidad de agarre a bajo costo. La prótesis tiene potencial para ser mejorada y puede ser una solución accesible para las personas que requieren este tipo de dispositivos.The research focused on the design and construction of a mechanical prosthesis for transmetacarpal amputation controlled by a flexible stump and cables, to improve the ability of users to perform daily activities. Extensive research into the anatomy and biomechanics of the hand, as well as the needs and expectations of users, was conducted using an interdisciplinary approach combining engineering, biomechanics, psychology and ergonomics. The development of the project began with an analysis of the user's needs and the definition of the scope of the prosthesis. Prototyping was then carried out using point cloud scanning technology and the user's demands were captured in a prototype. A CAE study was carried out to validate the design and selection of materials for each part of the prosthesis, using TPU and PLA due to their resistance and biocompatibility with the skin. The functionality of the prosthesis was evaluated through a test protocol under the AHAP standard and satisfactory results were obtained with 60% satisfaction according to the standard. The prosthesis presented a good gripping capacity at a low cost compared to existing prostheses on the market and can be improved by increasing the load capacity, increasing the number of threads and redesigning the joints. In conclusion, the research managed to design and build a mechanical prosthesis that improves the ability to perform daily activities of users with transmetacarpal amputation. The interdisciplinary approach and the use of state-of-the-art technology allowed the design to be validated and good gripping capacity was achieved at low cost. The prosthesis has the potential to be improved and can be an accessible solution for people who require this type of device

Estudio biomecánico por elementos finitos de prótesis de articulación temporomandibular

En el presente estudio se utilizan modelos 3d de mandíbula, cráneo y prótesis, provenientes de un paciente sometido a una reconstrucción de la articulación temporomandibular, con la finalidad de realizar un análisis y posterior comparación de la resistencia, eficiencia y longevidad de una prótesis hecha a medida, frente a una de geometría genérica. Para ello se utiliza un modelo de elementos finitos, donde se pueden visualizar las tensiones y deformaciones producidas durante un uso normal. También se lleva a cabo una revisión bibliográfica de modelos numéricos similares, de donde se han recopilado las propiedades mecánicas de los biomateriales implicados y se han determinado las cargas aplicadas sobre la mandíbula durante la mordida

Estudio de la recuperación mediante MEF de la biomecánica del pie tras el acortamiento del cuarto dedo

En este proyecto se estudia la influencia del acortamiento del cuarto dedo del pie en la biomecánica habitual del pie y los posibles efectos adversos derivados, así como el planteamiento de opciones para su recuperación. En el caso particular a estudio en este trabajo, el acortamiento se produjo tras la extracción de la falange medial del cuarto dedo durante una operación quirúrgica para tratar las patologías de Neuroma de Morton y Hallux Valgus. Para su estudio se realiza una simulación computacional mediante un modelo de elementos finitos en tres dimensiones del esqueleto de un pie humano. Este modelo se realizó a partir de la combinación de las falanges extraídas de la paciente y el modelo previo de pie creado por el grupo de Mecánica Estructural y Modelado de Materiales de la Universidad de Zaragoza Este trabajo consta de siete capítulos. En el primer capítulo se realiza una breve introducción, exponiendo objetivos, contexto del trabajo y principales patologías del pie. En el segundo capítulo se hace repaso del estado del arte en el estudio por el método de elementos finitos del pie. El capítulo tercero el proceso de extracción de la geometría de las falanges y creación del modelo de elementos finitos. En el cuarto capítulo se presentan las propiedades de los tejidos del pie. En el quinto se muestra el análisis realizado al modelo de elementos finitos. En el sexto capítulo se muestran los resultados y en el séptimo se plantean opciones para la recuperación del pie, en octavo y último se exponen las conclusiones del trabajo, así como futuras líneas de trabajo que pueden surgir a partir de este proyecto. Se añade dos anexos, en el primero se hace una pequeña introducción a la anatomía del pie humano, en el segundo se explica la posición elegida para el análisis del pie. Se obtuvieron los resultados de tensiones principales máximas y mínimas en falanges y desplazamientos en todo el pie, donde se puedo comprobar que si bien antes de la operación el pie presentaba algunas tensiones que indican los dolores que padecía la paciente, estos aumentaron de manera notable después del acortamiento del dedo, especialmente en los dedos tercero y cuarto del pie. Después del estudio realizado, se propone como mejor opción para que la paciente pueda andar sin dolores el uso de plantillas a medida

Estudio de las propiedades materiales de espumas para asientos

El objetivo del presente proyecto es la mejora de la calidad de vida de los conductores profesionales de autobús a partir modelado y simulación de un asiento portátil auxiliar que va acoplado encima del asiento del conductor en el autobús. Dado que con el tiempo, uso y humedad la calidad y el confort de las espumas de los asientos de autobuses disminuyen, se propone aliviar las tensiones sufridas en el cuerpo con una pieza adicional de espuma cuyo diseño y material son seleccionados concretamente para ese fin. El estudio se basa en las propiedades de las espuma poliuretano, así como en la búsqueda de caracterizaciones del material para su simulación por ordenador, haciendo que el programa de elementos finitos haga un ajuste de las curvas tensión-deformación obtenidas a través de ensayos en el material para así, a través de fórmulas de energía de deformación, obtener un modelo de material para su simulación. Para ello se pretende modelar el asiento del conductor, el asiento auxiliar, músculo y hueso, hacer un breve resumen de estudios previos acerca de la simulación de las propiedades de la masa muscular y así poder obtener un modelo lo más realista posible por ordenador para el fin propuesto. Con el fin de realizar el modelado y su simulación, se ha utilizado los programas CREO PARAMETRIC 2.0, para el diseño de las distintas partes del asiento, músculo, huesos y el asiento portátil, y CREO SIMULATE 2.0, para el análisis estructural y estudios de tensión-deformación de la masa muscular, así como de la propia espuma.The objective of the actual project is to improve the quality of life of professional bus drivers from modelling and simulating a portable bus seat which has to be on the bus driver seat. Because of the time, use and humidity the quality and comfort of the seat foam decreases, it is proposed to relieve the tensions suffer within the driver body with an additional piece of foam which design and material are selected concretely for this aim. The study is based on the properties of the Polyurethane foam, PU foam, as well as the different ways of simulation by a computer, running a finite element program in order to adjust the curve tension-strain obtained through the tests applied on the material so that using formulas of the energy of deformation it could be possible to have a material model for using it in order to simulate and obtain better designs. For this purpose, the driver bus seat, the portable seat, the femur and muscle. This project will include a brief resume of previous studies about the simulation of muscle properties, in order to obtain a realistic simulation for that purpose. The programs used in this study will be CREO PARAMETRIC 2.0, for the design of the different parts of the body and portable seat, and CREO SIMULATE 2.0, for structural analysis and stress-strain studies about the muscle as well as the foam.Ingeniería Técnica en Mecánic

Estudio computacional de la influencia del levantamiento de aguja sobre el flujo interno y el fenómeno de la cavitación en toberas de inyección diésel

Durante el proceso de apertura y cierre de un inyector Diesel, las características del combustible a la salida de la tobera cambian significativamente como consecuencia del movimiento de la aguja. Este hecho tiene una enorme influencia en el desarrollo del chorro y en el proceso de mezcla entre el aire y el combustible y, por tanto, en el posterior proceso de combustión. Sin embargo, y a pesar de su importancia, todavía hoy existen multitud de cuestiones sobre el proceso de inyección que permanecen sin resolver debido, en parte, a la dificultad para llevar a cabo experimentos a levantamientos de aguja parciales. Teniendo en cuenta lo anterior, la presente tesis se ha centrado en el estudio de la influencia del levantamiento de aguja sobre el flujo interno en toberas de inyección Diesel. Este trabajo se ha llevado a cabo mediante simulaciones tridimensionales del flujo en condiciones cavitantes y no cavitantes, modelando la cavitación mediante un modelo de equilibrio homogéneo implementado en OpenFOAM. Antes de analizar en profundidad la influencia de la posición de la aguja, el código ha sido puesto a punto y validado con resultados experimentales en un orificio calibrado, una tobera monorificio y una tobera multiorificio en condiciones de levantamiento de aguja máximo. El modelo de cavitación ha mostrado una gran precisión en la predicción del gasto másico, el flujo de cantidad de movimiento, la velocidad, los coeficientes de flujo y la apariencia de la cavitación. Además, los resultados computacionales y experimentales obtenidos en la validación del código han servido para estudiar alguno de los fenómenos asociados a la cavitación, como el colapso de gasto másico o el aumento de velocidad y de turbulencia. Tras la validación del código, éste ha sido utilizado para analizar la influencia del levantamiento de aguja en una tobera microsaco real. Inicialmente, se ha llevado a cabo un estudio de más de 500 ejecuciones simulando diferentes levantamientos de aguja fijos mediante métodos RANS. En este estudio, centrado principalmente en las características del combustible a la salida de la tobera y en el desarrollo de la cavitación, se ha podido observar un cambio significativo en el aspecto de la cavitación en función de la posición de la aguja: para levantamientos grandes, el vapor se desarrolla a lo largo de la parte superior del orificio, mientras que para levantamientos pequeños, la cavitación aparece en el asiento de la aguja y en la parte inferior del orificio para contrapresiones relativamente bajas. Este hecho tiene una enorme influencia sobre los valores de gasto másico, de flujo de cantidad de movimiento y de velocidad efectiva, los cuales apenas varían para levantamientos de aguja mayores de 75 ¿m. Posteriormente, los efectos del levantamiento de aguja han sido estudiados aplicando métodos LES. El uso de Large Eddy Simulation ha proporcionado información de gran relevancia sobre el flujo interno, especialmente sobre el desarrollo de la turbulencia y su interacción con el fenómeno de la cavitación. Los resultados de este estudio han demostrado que la cavitación favorece el desarrollo de la turbulencia, provocando un cambio notable de los niveles de turbulencia y de la región más turbulenta de la tobera en función de la posición de la aguja. Además, los resultados han puesto en evidencia la existencia de una cierta interacción o interdependencia entre ambos fenómenos, puesto que la turbulencia tiene a su vez importantes efectos sobre la apariencia de la cavitación. Profundizando en el desarrollo de la turbulencia, se ha observado también un aumento significativo del número de vórtices presentes en el fluido y un descenso de su tamaño a medida que la aguja desciende. Finalmente, se ha analizado la influencia del levantamiento de aguja mediante malla móvil, reproduciendo así el movimiento real de la aguja durante todo el proceso de inyección. Este último estudio ha sido posible gracias a la modificación del código y ha sido utilizado a partir de condiciones de contorno proporcionadas por un modelo unidimensional del inyector creado en AMESim. Por una parte, se han comparado los resultados obtenidos mediante simulaciones estacionarias y transitorias, mostrando diferencias despreciables en el cálculo de las características del combustible en la salida de los orificios de la tobera. No obstante, se ha detectado un menor volumen de combustible en fase vapor en las simulaciones transitorias, especialmente para pequeños levantamientos de aguja. Por otra parte, se ha comparado la tasa de inyección experimental con la tasa obtenida en OpenFOAM y AMESim. Dicha comparación ha permitido demostrar el gran potencial de AMESim y el buen comportamiento de OpenFOAM para predecir la tasa de inyección.Martínez López, J. (2013). Estudio computacional de la influencia del levantamiento de aguja sobre el flujo interno y el fenómeno de la cavitación en toberas de inyección diésel [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29291TESI

Consideraciones de diseño para la reducción de la vibración en líneas de ejes de grandes buques

Durante los cursos de ingeniería naval se abordaron estudios en materia de vibración. En particular, se estudió el aislamiento de la vibración de equipos instalados a bordo, cómo detectar las fuentes de la vibración y cómo realizar el diseño de su aislamiento. También se estudió el fenómeno de la vibración en términos de comportamiento en la mar, es decir, la respuesta del buque ante una excitación provocada por un determinado estado de la mar. Sin embargo, en el buque existen otras fuentes de vibración, no menos importantes, que no fueron estudiadas en detalle y que suponen un aspecto crítico en el diseño, son las relativas a la línea de ejes, entendiendo como tal, el conjunto motor propulsor-eje-hélice. El proyecto desarrollado a continuación surge del interés por estudiar dichos fenómenos de vibración asociados a la línea de ejes, su origen (fuentes de la vibración), análisis de los fenómenos de la vibración y solución a los mismos, desde las primeras etapas del diseño hasta la fase post-construcción. El control de la vibración en el buque está considerado crítico para asegurar la habitabilidad, seguridad y funcionalidad del mismo. El objetivo del proyecto es desarrollar las consideraciones de diseño necesarias para limitar la vibración a niveles aceptables, evitando así posibles fallos posteriores por fatiga de miembros locales de la estructura y/o el deterioro de la maquinaria y el equipo, que implicarían reparaciones muy costosas. Para alcanzar el objetivo anteriormente mencionado, se han identificado aquellos problemas de vibración que experimentalmente se han venido repitiendo como más importantes, y se ha estudiado cuáles son sus causas (fuentes de la vibración) y cómo incidir sobre ellas en cada etapa del diseño (diseño conceptual y diseño de detalle). Los métodos descritos en este trabajo tienen aplicabilidad a grandes buques mercantes, tipo VLCC (Very Large Crude Carrier), buques graneleros y otros mercantes de similares características.Escuela Técnica Superior de Ingeniería Naval y OceánicaUniversidad Politécnica de Cartagen