Biomechanical analysis of a cranial Patient Specific Implant on the interface with the bone using the Finite Element Method

- New advance technologies based on reverse engineering , design and additive manufacturing, have expanded design capabilities for biomedical applications to include Patient Specific Implants (PSI). This change in design paradigms needs advanced tools to assess the mechanical performance of the product, and simulate the impact on the patient. In this work, we perform a structural analysis on the interface of a cranial PSI under static loading conditions. Based on those simulations, we have identified the regions with high stress and strain and checked the failure criteria both in the implant and the skull. We evaluate the quality of the design of the implant and determine their response given different materials, in order to ensure optimality of the final product to be manufactured

USO DE TIC PARA LA ENSEÑANZA DE LA ASIGNATURA DINAMICA

Dinámica es un curso fundamental de 4º semestre del programa de Ingeniería Mecánica, el cual involucra el estudio del movimiento de las partículas y cuerpos rígidos, y las fuerzas que lo generan. Esta asignatura pertenece al Área de Ciencias Básicas de Ingeniería Mecánica, área que representa la etapa donde se adquieren los cimientos y competencias que le permiten al profesional desarrollar sus aptitudes ingenieriles de la mejor manera en todos los campos de desempeño que abarca su respectiva ingeniería, cada asignatura de este ciclo es muy significativa en la curva de aprendizaje del Ingeniero Mecánico UIS, pero se quiere resaltar a Dinámica como una de las de mayor trascendencia, tanto así que es prerrequisito de 3 cursos importantes que se dan en 5 nivel, además de su común uso en variadas asignaturas de los siguientes semestres académicos y de su importancia como base de variadas ramas en Ingeniería Mecánica como la hidráulica, neumática, transporte de fluidos, ingeniería de control. Para alcanzar las metas en la asignatura es necesario tener las competencias en Cálculo y Física que se imparten en el ciclo básico de ingeniería

Micromechanical approach for the analysis of wave propagation in particulate composites

Laser ultrasonic non-destructive testing is widely used for the inspection of mechanical structures. This method uses the propagation of ultrasonic guided waves (UGW) in the media. For this purpose, it has been demonstrated that the addition of a thin composite layer between the laser source and the structure for inspection is necessary. Consequently, this composite is an optoacoustic transducer composed of an absorption material such as carbon for inclusions and an expanding material such as an elastomer for the matrix. Thus, optimal fabrication of this composite should enable the amplification of the signal for inspection. Indeed, experimental research has demonstrated that variation in the volume fraction of carbon inclusions, their shape, and the nature of the matrix, affect the amplification of the signal directly. The aim of this study is to analyse the wave propagation in particulate viscoelastic composites by a dynamic self-consistent approach

Estimación y acotación del error de discretización en el modelado de grietas mediante el método extendido de los elementos finitos

El Método de los Elementos Finitos (MEF) se ha afianzado durante las últimas décadas como una de las técnicas numéricas más utilizadas para resolver una gran variedad de problemas en diferentes áreas de la ingeniería, como por ejemplo, el análisis estructural, análisis térmicos, de fluidos, procesos de fabricación, etc. Una de las aplicaciones donde el método resulta de mayor interés es en el análisis de problemas propios de la Mecánica de la Fractura, facilitando el estudio y evaluación de la integridad estructural de componentes mecánicos, la fiabilidad, y la detección y control de grietas. Recientemente, el desarrollo de nuevas técnicas como el Método Extendido de los Elementos Finitos (XFEM) ha permitido aumentar aún más el potencial del MEF. Dichas técnicas mejoran la descripción de problemas con singularidades, con discontinuidades, etc., mediante la adición de funciones especiales que enriquecen el espacio de la aproximación convencional de elementos finitos. Sin embargo, siempre que se aproxima un problema mediante técnicas numéricas, la solución obtenida presenta discrepancias con respecto al sistema que representa. En las técnicas basadas en la representación discreta del dominio mediante elementos finitos (MEF, XFEM, ...) interesa controlar el denominado error de discretización. En la literatura se pueden encontrar numerosas referencias a técnicas que permiten cuantificar el error en formulaciones convencionales de elementos finitos. No obstante, por ser el XFEM un método relativamente reciente, aún no se han desarrollado suficientemente las técnicas de estimación del error para aproximaciones enriquecidas de elementos finitos. El objetivo de esta Tesis es cuantificar el error de discretización cuando se utilizan aproximaciones enriquecidas del tipo XFEM para representar problemas propios de la Mecánica de la Fractura Elástico Lineal (MFEL), como es el caso del modelado de una grieta.González Estrada, OA. (2010). Estimación y acotación del error de discretización en el modelado de grietas mediante el método extendido de los elementos finitos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7203Palanci

Effect of force angle on the strain distribution of osseointegrated dental implants

International audienceIn this work, we investigate the response of the anisotropic maxilla bone in the peri-implant region, when osseointegrated implants are subjected to external forces at different angles, based on the stress and strain distribution by the finite element method. Models were created to represent a portion of a maxilla bone (upper first molar region) with two types of implants which have different thread geometry (squared and V-shaped) and material (Ti-6AL-4V ELI and grade IV Titanium). Compressive axial (150 N) and oblique load (150 N at 45° angle) were applied to anisotropic models of the bone tissues. Complete osseointegration was assumed. Results demonstrated that the increase of the implant inclination leads to a more critical behaviour. Oblique loading is more detrimental to stress and strain distribution than axial load. Stress fields were more efficiently distributed by squared thread implants

Fatigue in Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Composites

International audienceAdditive manufacturing (AM) technologies have been applied with success in many applications, being fused deposition modelling (FDM) the most widely used AM technique for fabricating thermoplastic pieces. The thermoplastic parts made by FDM present lack of strength and low stiffness, as required for fully functional and load-bearing parts. Due to this restriction, a new technology to reinforce with fibres the thermoplastic filaments was developed in the last years. Continuous fibre reinforced thermoplastic composites (CFRTPC) printers are taking this technology to a whole new level in terms of efficient production and mechanical properties. Static mechanical properties, as well as fatigue behaviour, were studied since in these types of loads a wide range of engineering dynamic applications can be envisaged. Tensile tests were performed to characterise the static mechanical properties. Fatigue tests were done to analyse the durability behaviour of the FDM composite materials, and the fracture surface was analysed by SEM microscopy. The results showed that carbon fibre isotropic layers had the higher ultimate tensile stress, with 165 MPa. From fatigue tests, stress vs. number of cycles curves (S vs Nf) in the temporary life zone were obtained. It is observed from the results that specimens with nylon matrix, triangular filling pattern and matrix density of 20%, reinforced with carbon fibre at 0-degrees, showed bette

Structural health monitoring using the Firefly optimization algorithm and finite elements

In this study, a novel technique for multiple damage detection of structures using modal characterization to evaluate the dynamic response of the structure given a damage model is investigated. The damage identification problem is seen as an optimization problem to be solved using a firefly optimization algorithm. The objective function is based on a numerical damage model that considers the modal response of the structures. We show some implementation details and discuss the obtained results for a benchmark problem used to assess the performance of the method and its advantages for structural health monitoring.En este estudio, se investiga una técnica novedosa para la detección de daños múltiples de estructuras mediante la caracterización modal para evaluar la respuesta dinámica de la estructura dado un modelo de daño. El problema de identificación de daños se plantea como un problema de optimización que se resuelve utilizando un algoritmo de optimización tipo firefly. La función objetivo se basa en un modelo de daño numérico que considera la respuesta modal de las estructuras. Mostramos algunos detalles de implementación y discutimos los resultados obtenidos para un problema de referencia utilizado para evaluar el rendimiento del método y sus ventajas para el monitoreo de la salud estructural

Enhanced error estimator based on a nearly equilibrated moving least squares recovery technique for FEM and XFEM

International audienceIn this paper a new technique aimed to obtain accurate estimates of the error in energy norm using a moving least squares (MLS) recovery-based procedure is presented. We explore the capabilities of a recovery technique based on an enhanced MLS fitting, which directly provides continuous interpolated fields, to obtain estimates of the error in energy norm as an alternative to the superconvergent patch recovery (SPR). Boundary equilibrium is enforced using a nearest point approach that modifies the MLS functional. Lagrange multipliers are used to impose a nearly exact satisfaction of the internal equilibrium equation. The numerical results show the high accuracy of the proposed error estimator