Simulación computacional de la regeneración del tejido tendinoso

Este Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo principal desarrollar una metodología computacional que permita analizar los procesos que tienen lugar en la regeneración del tejido tendinoso controlada por estímulos mecánicos externos. Concretamente en este trabajo la regeneración del tejido se ha basado en la re-orientación progresiva de las fibras de colágeno dañadas hacia la dirección de tensión principal máxima. Se han construido en un principio modelos de tendón, tanto sano, como con una zona dañada, a través de una geometría ideal para después aplicar el modelo en una geometría más cercana a la realidad, extraída de literatura especializada. Para construir dichos modelos se ha hecho uso de la formulación matemática existente en estudios previos especializados. En los modelos con geometrías ideales se ha tratado de construir un modelo de material que reproduzca el tejido sano y el tejido afectado. Esto se ha realizado con el objetivo de que sea posible adecuar a través del modelo, el comportamiento mecánico de los ensayos experimentales del tendón sano. Una vez construidos los modelos se han realizado simulaciones de la regeneración del tejido dañado para ajustar el fenómeno de la orientación de colágeno. Cabe mencionar que en el modelado tanto del tejido tendinoso como de la regeneración del tejido se han tenido que aplicar ciertas simplificaciones, así como imponer tiempos de simulación excesivamente rápidos para facilitar la resolución y el estudio del problema.<br /

Simulación computacional del comportamiento biomecánico de los músculos gastrocnemio y sóleo humanos

El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo simular el comportamiento biomecánico de los músculos gastrocnemio y sóleo bajo una situación de contracción activa. Para ello crearemos un modelo del conjunto implicado en la extensión plantar que incorpora estos músculos y el tendón de Aquiles.<br /

Simulación del comportamiento biomecánico del músculo recto abdominal

El objetivo del proyecto es la simulación del comportamiento biomecánico del músculo recto abdominal. Para ello se ha utilizado el programa Abaqus, que está basado en el método de los elementos finitos (método numérico general para la obtención aproximada de soluciones de ecuaciones en derivadas parciales en pequeñas subdivisiones del cuerpo llamadas elementos finitos). La realización del proyecto está dividido en 3 etapas: preproceso, cálculo y resolución de ecuaciones, y postproceso. En el preproceso se prepara el modelo para su posterior resolución. En esta etapa se genera la geometría del modelo, se crean los materiales de las partes del modelo (Para los huesos se crea un material que actúa como sólido rígido, los discos intervertebrales como sólido deformable y los tendones y músculo recto abdominal un material hiperelástico), se genera la malla, se aplican las condiciones de contorno, cargas e interacciones entre los huesos. En la etapa de cálculo se lleva a cabo la resolución del problema planteado en el preproceso obteniendo así los desplazamientos. En esta etapa nos ayudamos de un servidor remoto en el que poder realizar los cálculos. Finalmente, en el postproceso se presentan los resultados para poder ser analizados y así poder sacar conclusiones del problema tratado. En nuestro problema se analiza la tensión máxima principal y los desplazamientos durante la contracción del músculo recto abdominal

Simulación computacional del comportamiento biomecánico del músculo bíceps femoral humano

Desarrollo de un modelo computacional basado en el método de los elementos finitos que simula la actividad desarrollada por el músculo bíceps femoral tanto activa como pasiva durante el ciclo de carrera en el ser humano. El modelo incorpora tanto la geometría tridimensional del citado músculo como los segmentos óseos implicados en la articulación de la cadera y rodilla

Simulación de la contracción del tejido muscular esquelético mediante redes neuronales

Este Trabajo Final de Grado tiene como objetivo el desarrollo de una metodologíacomputacional con la capacidad de poder simular la contracción del tejido muscularesquelético en tiempo real.En primer lugar, se realiza una breve introducción del aprendizaje profundo (DeepLearning) y las redes neuronales. Previamente a la predicción de la contracción deltejido utilizando redes neuronales, se realiza un estudio de la simulación computacionaldel tejido musculo esquelético empleando un software de elementos finitos. Paraello, se describe el comportamiento del tejido durante la contracción, incluyendo elcomportamiento pasivo y el activo, y se simulan distintas geometrías tridimensionalespara estudiar y analizar la respuesta del tejido ante la variación de diferentesparámetros.Posteriormente, se han utilizado estos modelos tridimensionales para generar lasmuestras para el entrenamiento de las redes neuronales, las cuales generarán unapredicción del comportamiento del músculo durante la contracción muscular.Por último, se analizará y discutirá las predicciones obtenidas mediante las redesneuronales con los resultados obtenidos mediante el software de elementos finitos, conel objetivo de comprobar la validez de esta metodología en la simulación del tejidomuscular.<br /

Simulación computacional con elementos finitos y redes neuronales de problemas multifísicos. Aplicación al cocinado de carne

Este Trabajo Fin de Grado se enmarca en un proyecto de colaboración entre la Universidad de Zaragoza y la empresa B/S/H España. Con el objetivo del desarrollo de una metodología computacional capaz de sentar las bases del cocinado autónomo.En primer lugar, se describe la física que rige el cocinado de carne y se realiza una breve introducción del aprendizaje profundo y las redes neuronales. Una buena forma de comprobar, a priori, el potencial y validez de las redes neuronales, es resolviendo una serie de ejemplos de aplicación relacionados cada uno, con las físicas que intervienen en el cocinado de carne: Mecánica estructural, Transferencia de calor y Transferencia de masa. Para ello se han simulado dichos problemas en un software de elementos finitos, obteniendo una población de resultados utilizados para entrenar a las redes neuronales y que estas sean capaces de predecir estos resultados, en tiempo real y con exactitud.En segundo lugar, se ha abordado la simulación del cocinado de carne utilizando los resultados de modelos 1D y 3D para entrenar redes neuronales que permitan obtener predicciones disminuyendo el coste computacional. En este caso se han considerado como variables de salida la distribución de la temperatura y de la pérdida de masa del alimento. Un aspecto que se ha tenido en cuenta para valorar la metodología propuesta, reside en las principales características de las redes neuronales como: variables de entrada, número de capas ocultas o tamaño de la población de entrenamiento. En este trabajo se ha realizado un estudio detallado de la influencia de estas características.Por último, se han comparado las predicciones obtenidas mediante las redes neuronales con los resultados obtenidos en el software de elementos finitos, con el objetivo de comprobar la validez de las redes neuronales en la aplicación al cocinado de carne.<br /

Diseño y cálculo de un vehículo para personas con movilidad reducida basado en un acople sobre bicicleta convencional.

Este proyecto se centra en el diseño y posterior análisis mediante el método de los elementos finitos de un dispositivo acoplable a un cuadro de bicicleta convencional dándole acceso a discapacitados a este medio de transporte con la ayuda de un compañero. Más concretamente se centrará en la estructura que lo compone, dotándola de la resistencia mecánica suficiente para cumplir con su función. La metodología utilizada se basará en definir una serie de condiciones que contemplan determinadas limitaciones geométricas, cargas y condiciones de contorno que permitan alcanzar un primer prototipo funcional. Para ello ha sido necesario adoptar una serie de simplificaciones en el modelado de la estructura. Una de ellas se basa en el uso exclusivo de barras como elemento estructural en vez de elementos 3D más similares a un caso real. Por otro lado, los cálculos realizados se basan únicamente en análisis estáticos permitiendo simplificar la estructura al considerarla como un elemento rígido. De esta forma no se tienen en cuenta posibles elementos móviles como la dirección. De esta forma, el diseño ha ido evolucionando desde un primer prototipo hasta un segundo diseño al que se le han aplicado una serie de mejoras aportando así dos posibles soluciones. El proyecto contempla diversas disciplinas del ámbito de la ingeniería: soluciones existentes en el mercado, selección de materiales, pre-diseño, análisis estructural mediante simulaciones, dimensionamiento y optimización.<br /

Análisis por elementos finitos del chasis de una motocicleta

El principal objetivo del proyecto consiste en el análisis por elementos finitos del chasis fabricado para la competición Motostudent por parte del equipo MotostudentZGZ-Unizar. La competición se desarrollo a lo largo de 2 cursos académicos, comenzando en el año 2008 y finalizando en Octubre del 2010 con unas jornadas en el circuito de Motorland Aragón donde se puso a prueba los prototipos. Para ello se va a utilizar el programa Abaqus cuyo aprendizaje y manejo se ha profundizado a lo largo de presente Proyecto de Fin de Carrera. Se introducirá en el programa de análisis de elementos finitos una recreación lo más fiel posible de las principales partes que aportan rigidez al conjunto de la motocicleta. Estas partes constituyen la estructura principal o chasis donde se soportan el resto de elementos. El sub-chasis o colín, elemento donde se situará el piloto, la cuna, elemento de sujeción del bloque motor, ya que contábamos con un motor que tenía la necesidad de ser portado y el eje basculante, elemento de unión del chasis con el basculante de la motocicleta. Sobre todos estos elementos, unidos de la manera más próxima a la realidad, se aplicarán tres hipótesis diferentes. Hipótesis desarrolladas al final de la competición y que someten a nuestra motocicleta virtual a situaciones reales que podemos encontrar en el circuito. Las cargas aplicadas en dichas hipótesis fueron desarrolladas por el equipo MotostudentZGZ-Unizar. Esas tres hipótesis que se van a estudiar las situaciones de máxima frenada, el caso de salida de curva y el de impacto con el piano en paso por curva. Dada la naturaleza del proyecto y del entorno en el que ha desarrollado podemos contar con los resultados obtenidos en el circuito y que validan el prototipo desarrollado. Con este documento se podrá conocer lo cerca que se ha estado de los límites de los materiales utilizados para la construcción de dicho prototipo

Simulación computacional de la biomecánica de la articulación del codo

El proyecto que se presenta en las siguientes páginas engloba el análisis biomecánico del codo, queriendo reproducir computacionalmente el movimiento flexo-extensor permitido por dicha articulación. Para ello se ha realizado un modelo en tres dimensiones de tres músculos (\textit{Bíceps Braquial}, \textit{Cabeza Larga del Tríceps} y \textit{Cabeza Corta de Bíceps Braquial}) y tres huesos (\textit{Húmero}, \textit{Cúbito} y \textit{Radio}) utilizando el software Abaqus Cae mediante el método de los elementos finitos. A lo largo del proyecto se introducen conceptos relacionados con el comportamiento mecánico del tejido músculo-esquelético, así como una ligera contextualización del ambiente en el que está situada la articulación. El modelo que permite simular la respuesta del tejido muscular se considera un modelo hiperelástico transversalmente isótropo que contempla tanto la parte pasiva como activa (capacidad para desarrollar fuerza bajo un estímulo) de los músculos desarrollados. Para ello se hace referencia a varios trabajos y artículos anteriores que se han tomado como modelo para la descripción de este complejo tejido. \\ \\ Como comienzo, las geometrías se obtienen de modelos tridimensionales ya creados de seres humanos \cite{Mits2009}. Durante el trabajo se han utilizado diversas funciones que tiene implementadas Abaqus que permiten estructurar el modelo para así conseguir el movimiento deseado. Para llevar a cabo el proyecto se han considerado tres mallados distintos, cuyo número de elementos final es diferente, realizando de esta manera un estudio de convergencia de malla para el modelo.\\ \\ Se realizan dos estudios para las diferentes mallas. Uno de los dos se encarga del análisis del desplazamiento de un punto del \textit{Cúbito}, situado en su epífsis distal, según la densidad de su malla. El segundo se encarga del análisis del desplazamiento de ese mismo punto, variando la tensión isométrica de los músculos y a su vez el mallado. Los resultados obtenidos nos permiten ver las diferencias que se producen en nuestro modelo al variar dichas mallas, con el fin de elegir una que nos aporte unos resultados correctos equilibrándolo con la menor carga computacional posible

Simulación computacional del comportamiento mecánico de andamiajes poliméricos para regeneración de tendón

Los andamiajes poliméricos son herramientas muy valiosas en la ingeniería de tejidos para la regeneración de tendones, músculos y huesos. La técnica del electrohilado permite obtener estos andamiajes, productos del bobinado de microfibras hechas de un material polimérico hiperelástico, policaprolactona (PCL). En este trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico de andamiajes poliméricos impresos en diferentes configuraciones en cuanto a espesor, orientación de las fibras y diámetro interno. A través de modelos computacionales elaborados con COMSOL Multiphysics, y aplicando el método de los elementos finitos para el cálculo de las simulaciones, se han formulado una serie de leyes constitutivas para reproducir el comportamiento del andamio basadas en las teorías de hiperelasticidad de Mooney-Rivlin y de plasticidad de Voce-Kocks. Por último, utilizando estos modelos optimizados elaborados a partir de los resultados de ensayos a tracción de muestras experimentales de distintos scaffolds, se han obtenido los parámetros de impresión (espesor y orientación de fibras) de un scaffold que presenta las mismas propiedades mecánicas en su zona elástica que un tendón real obtenido de un modelo animal.<br /