BIA - IFPI Campus Teresina Central Bacharelado Bacharelado em Engenharia Mecânica - Teresina Central
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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Análise mecânica da costela e da caixa torácica humana: implementação pelo método de elementos finitos (MEF)
Autor: Bueno, Yago Pablo Rodrigues
Orientador(a): Soares, Ricardo Cardoso
Resumo: Desde o século XX, com o desenvolvimento da computação e técnicas numéricas para a resolução de equações diferenciais parciais, trabalhos com o intuito de prever o comportamento mecânico do tórax humano têm sido desenvolvidos. Esta parte do corpo humano é especialmente relevante, pois abriga e protege órgãos vitais como o coração e pulmões, além disso, deformidades do tipo pectus carinatum, muitas vezes corrigida de forma mecânica, podem surgir durante a adolescência. Desta forma, o presente trabalho tem por finalidade desenvolver e avaliar o uso de elementos de viga para a simulação desta estrutura, com o desenvolvimento das equações diferenciais pela teoria da Mecânica do Contínuo e simetrização da geometria por meio da teoria de viga de Timoshenko, resolvendo-as por métodos variacionais e chegando às matrizes de rigidez para duas funções de forma. A avaliação dos elementos foi feita por meio da comparação das soluções numéricas com resultados experimentais presentes em trabalhos já desenvolvidos, mostrando-se compatíveis para uma razão entre a área cortical e a trabecular do osso de 0,15, como esperado. Para este valor, o anel da costela 4 apresentou uma força máxima de, aproximadamente, 50 N para um deslocamento de 25 mm para o primeiro elemento e de 22 mm para o segundo, ambos com o surgimento de uma força de, aproximadamente, 6 N na direção normal, força esta não observada em outros anéis como o da costela 5, também em acordo com os dados experimentais. No caso de deformidades do tipo pectus carinatum, observou se uma deformação total de, aproximadamente, 15 mm para uma pressão inicial de correção de 60 kPa (aproximadamente 8,7 psi), também próximo aos resultados experimentais. Portanto, o presente estudo mostrou-se promissor para a análise do comportamento mecânico do tórax humano, podendo ser utilizado e aperfeiçoado para análises consistentes de fenômenos que o envolvem.
Abstract: Since the 20th century, with the development of technique and numerical techniques for solving partial differential equations, works with the aim of predicting the mechanical behaviour of the human thorax have been developed. This part of the human body is crucial, as it protects vital organs such as the heart and lungs, futhermore, deformities such as pectus carinatum, often mechanically corrected, can appear during adolescence. Thus, the present work has to develop and evaluate the use of beam elements for a structural simulation, with the development of differential equations by the theory of Continuum Mechanics and geometry symmetrization through the Timoshenko beam theory, solving them by variational methods and arriving at stiffness matrices for two shape functions. The evaluation of the elements was made by comparing the numerical solutions with experimental results present in papers already developed, showing compatibility for a cortical and trabecular area ratio of 0.15, as expected. For this value, rib ring 4 has a maximum force of approximately 50 N for a displacement of 25 mm for the first element and 22 mm for the second, both with the appearance of a force of approximately 6 N in the normal direction, not observed in other rings such as rib 5, also in agreement with the experimental data. In the case of deformities of the type pectus carinatum, a total deformation of approximately 15 mm was observed for an pressure of initial correction of 60 kPa (8.7 psi, approximately), also close to the experimental results. Thus, the present study proved to be promising for an analysis of the mechanical behavior of the human thorax, which can be used and improved for consistent analysis of phenomena that involve it.
Palavras-chave: MEF
Costela
Tórax
Pectus Carinatum
Cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
País: Brasil
Editor: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí
Sigla: IFPI
Unidade: Campus Teresina Central
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://bia.ifpi.edu.br/jspui/handle/123456789/1142
Data do documento: 2021
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