simula§µes computadorizadas de fixadores internos de coluna

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  • SIMULAES COMPUTADORIZADAS DE FIXADORES INTERNOS DE COLUNA UTILIZANDO O MTODO DOS

    ELEMENTOS FINITOS

    ANTONIO MARCOS DOS SANTOS

    Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao Interunidades em Bioengenharia - Escola de Engenharia de So Carlos/Faculdade de Medicina de Ribeiro Preto/ Instituto de Qumica de So Carlos da Universidade de So Paulo, para obteno do ttulo de Mestre em Bioengenharia.

    Orientador: Prof. Dr. Jos Baptista Portugal Paulin

    So Carlos

    2004

  • A Deus o meu melhor amigo, minha me Geni minha primeira e grande professora .

  • AGRADECIMENTOS

    Ao Prof. Dr. Jos Baptista Portugal Paulin pela diviso de seu

    conhecimento, tempo e admirvel ateno.

    Ao Prof. Dr. Antonio Carlos Shimano pela confiana, amizade, conselhos

    e ensinamentos prestados na realizao deste trabalho.

    Venho especialmente agradecer ao Prof. Dr. Orivaldo Lopes da Silva e

    Prof. Dr. Jos Carlos Pereira pela presena em minha banca de

    qualificao.

    Aos funcionrios do Laboratrio da Bioengenharia pela amizade e

    ateno.

    Aos meus grandes amigos Eduardo, lvio, Fernando, Henrique e

    Ricardo que foram como irmos em minha estadia em So Carlos.

    Aos amigos da Bioengenharia: Adriana, Vera, Elaine, Irene, Marcos,

    Marcos Shimano, Nelson, Elizete, Anglica, Tatiana, Maira que estavam

    presentes na minha batalha demonstrando sempre sua amizade.

  • Ao meu grande amigo Wilson por estar presente nos momentos que

    mais precisei me dando fora, conselhos, demonstrando toda sua

    amizade e mostrando-me o caminho da vitria.

    secretria do Programa de Ps-Graduao em Bioengenharia, Janete

    dos Santos por ser mais que uma secretria e sim uma grande amiga

    mostrando-me toda sua riqueza espiritual. Obrigado!

    Ao Prof. Dr. Jonas de Carvalho (Engenharia Mecnica) pelo auxlio nas

    utilizaes dos softwares de engenharia e por sua amizade.

    Aos meus amigos Gustavo, Murilo, Tatiane, Letcia, Adriana, Srgia e

    Dbora por ficarem felizes com as minhas vitrias e me aconselharem.

    minha amiga Raquel o meu obrigado pela sua sabedoria do portugus

    na correo da minha dissertao.

  • SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS.......................................................................................i LISTA DE TABELAS....................................................................................iv LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS........................................................v RESUMO.......................................................................................................vi ABSTRACT..................................................................................................vii 1 INTRODUO............................................................................................1

    1.1 A coluna vertebral...............................................................................2

    1.2 Principais fraturas da coluna vertebral................................................4

    1.3 Fixador Interno..................................................................................11

    1.4 O Software SOLID EDGE....14

    1.5 O Software ANSYS ....................................19

    1.6 O Mtodo dos Elementos Finitos.................................................. ....23

    1.7 Objetivo......................................................................................... ....27

    2 MATERIAL E MTODO....................................................................... ....28 2.1 Modelo Experimental........................................................................28 2.2 Validao do modelo proposto..........................................................29

    2.3 Modelagem........................................................................................30

    2.3.1 Procedimento da modelagem de uma das peas...............31

    2.4 Utilizao do software ANSYS.................................................... ....36

    2.5 Simulao..........................................................................................49

    3 RESULTADOS..........................................................................................53 3.1 Ensaios realizados no fixador de titnio...........................................53

    3.2 Ensaios realizados no fixador de alumnio.......................................61

    3.3 Clculo das tenses aplicadas.........................................................67

    4 DISCUSSO.............................................................................................70 5 CONCLUSO...........................................................................................75 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS............................................................76

  • i

    LISTA DE FIGURAS

    FIGURA 01 - A coluna vertebral, SOBOTTA (1993)....................................... ..3

    FIGURA 02 - Classificao das fraturas, APLEY (1998)...................................5

    FIGURA 03 (A), (B) Fixaes de fraturas.................................................... 13 FIGURA 04 - Modelagem no Solid Edge Solid Edge Copyright 1996-2001

    UGS................................................................................................................ 17 FIGURA 05 - Fases do projeto........................................................................ 18

    FIGURA 06 - Exemplo da utilizao de Elementos Finitos............................. 25 FIGURA 07 - Montagem dos componentes do Fixador.................................. 28 FIGURA 08 - Aplicao de uma carga de Flexo-compresso........................ 29 FIGURA 09 - Aplicao de uma carga de Flexo lateral................................ 30

    FIGURA 10 - Interface grfica do software Solid Edge................................... 31

    FIGURA 11 - (A), (B) Seleo do eixo de modelagem................................... 32

    FIGURA 12 - Escolha da ferramenta para Protusion...................................... 32

    FIGURA 13 - Dimetro e Raio da Haste......................................................... 33

    FIGURA 14 - Trmino do perfil da Haste........................................................ 33

    FIGURA 15 - Altura da Haste do Fixador........................................................ 33

    FIGURA 16 - Vista da pea em Wireframe Outline......................................... 34

    FIGURA 17 - Resultado da Haste no modo Shade........................................ 35

    FIGURA 18 - Trmino da Haste do Fixador Interno de Coluna...................... 35

    FIGURA 19 - Haste do Fixador salvo com a extenso IGES.......................... 36

    FIGURA 20 - Slido Estrutural Tetraedro 92 3 D 10 Ns............................... 39

    FIGURA 21 - Direes das tenses e Produes de tenses........................ 40

    FIGURA 22 - Elementos tetraedros do Fixador.............................................. 41

    FIGURA 23 - Importao do slido no formato IGES................................... 42

    FIGURA 24 - Criao do volume da pea importada..................................... 43

    FIGURA 25 - Utilizao do comando de salvamento...................................... 43

  • ii

    FIGURA 26 - Determinao da preferncia da disciplina.............................. 44

    FIGURA 27 - Adio do elemento tetradrico................................................ 45

    FIGURA 28 - Definio das propriedades do material................................... 46

    FIGURA 29 - Tabela das propriedades do material....................................... 46 FIGURA 30 - (A), Gerao do tamanho do elemento. (B), Tabela de tamanho

    do elemento................................................................................................... 47

    FIGURA 31 - Definio da malha tetradrica................................................. 48

    FIGURA 32 - Resultado final da gerao das malhas................................... 49 FIGURA 33 - (A), Menu para aplicao de restries. (B), Restrio da parte

    inferior do fixador........................................................................................... 49 FIGURA 34 - (A), Menu para aplicao das cargas. (B), Aplicao da carga na

    parte superior do Fixador ............................................................................... 50

    FIGURA 35 - Gerao da soluo................................................................. 52 FIGURA 36 - Aplicao de uma carga de 0,0365 KN em um ensaio de Flexo-

    compresso.....................................................................................................54 FIGURA 37 - (A), (B) Ponto de maior e menor tenso no Fixador durante o

    ensaio de Flexo-compresso..........................................................................56 FIGURA 38 Deformao sofrida pelo Fixador de titnio no ensaio de Flexo-

    compresso com carga de 0,0365 KN............................................................57 FIGURA 39 - Aplicao de uma carga de 0,0365 KN em um ensaio de Flexo

    lateral...............................................................................................................58

    FIGURA 40 - (A), (B) Ponto de maior e menor tenso no Fixador durante o

    ensaio de Flexo lateral..................................................................................60 FIGURA 41 - Deformao sofrida pelo Fixador no ensaio de Flexo lateral

    com carga de 0,0365 KN.................................................................................59 FIGURA 42 - Aplicao de uma carga de 0,0365 KN em um ensaio de Flexo-