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Título: Estudo e otimização do envoltório externo das próteses de antebraço
Título(s) alternativo(s): Study and optimization of the outer wrap of the forearm prostheses
Autor(es): Feldhaus, Leticia Corbari
Orientador(es): Rodrigues, Fabio Rodrigo Mandello
Palavras-chave: Prótese
Antropometria
Otimização estrutural
Prosthesis
Anthropometry
Structural optimization
Data do documento: 7-Jun-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Referência: FELDHAUS, Leticia Corbari. Estudo e otimização do envoltório externo das próteses de antebraço. 2017. 65 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2017.
Resumo: A deficiência motora ocorre em mais de 13 milhões de brasileiros onde 5,32% não possuem um membro ou parte dele e ainda, os níveis de aceitação do uso de próteses possuem valores muito reduzidos, principalmente devido ao elevado custo e peso. Assim, este trabalho tem como objetivo o estudo do envoltório externo das próteses de antebraço, através da utilização de um material capaz de atender às solicitações impostas e também a proposição de uma otimização geométrica para redução de massa, espessura, força e tensão. A metodologia proposta consiste em utilizar técnicas antropométricas para coletar medidas precisas de um antebraço humano e utiliza-las para desenvolver um modelo 3D pelo software Inventor, para depois submetê-lo a uma análise pelo método dos elementos finitos e também realizar simulações de otimização utilizando o algoritmo genético multi-objetivo (MOGA) através do software Ansys Workbench. O biomaterial utilizado foi o aço inoxidável 316 austenítico e a força aplicada na simulação foi equivalente à elevação de 10 kg pela mão, correspondendo a uma força de 98,1 N. O resultado da simulação inicial, para uma espessura arbitrária de 4 mm, demonstrou que o local de maior tensão se encontra na parte correspondente ao pulso, na união entre o antebraço e a mão, com um valor de 7,67 MPa. Assim, o próximo passo consistiu na utilização do algoritmo de otimização MOGA para a análise de quatro parâmetros propostos, sendo eles a espessura, massa, força máxima e tensão máxima. Os resultados demonstraram pontos de convergência para os valores de 3,945 mm de espessura, 1,366 kg de massa, 100,25 N de força máxima e 4,09 MPa de tensão máxima. Assim, é possível concluir que a realização das análises propostas gerou resultados consistentes que atendem às especificações impostas de carga e dimensões, atendeu aos objetivos propostos de redução de massa e especificação de um material capaz de atender às solicitações impostas, e ainda abriu oportunidades para trabalhos futuros.
Abstract: Motor disability occurs in more than 13 million Brazilians, where 5.32% do not have a limb or part of it, also, levels of prosthesis use acceptance have very reduced values, mainly due to the high weight. The aim of this research is to study the external wrap of the forearm prosthesis, through the use of a material capable of resist to imposed demands and also the proposal of a geometric optimization to reduce mass, thickness, force and stress. The proposed methodology consist of using anthropometric techniques to collect accurate measurements of a human forearm and use them to develop a 3D model by software Inventor, then subject the model to an finite element analysis and also perform an optimization using the multi-objective genetic algorithm (MOGA) through Ansys Workbench software. The biomaterial used is the 316 austenitic stainless steel and the load applied in the simulation was equivalent to hold 10 kg in the hand, corresponding to a force of 98.1 N. The result of the initial simulation, for an arbitrary thickness of 4 mm, showed that the site of greatest stress is located in the part corresponding to the wrist, in the union between the forearm and the hand, with a value of 7.67 MPa. Thus, the next step was to use the MOGA optimization algorithm for an analysis of four proposed parameters: thickness, mass, maximum stress and maximum force. The results show points of convergence for values of 3,945 mm of thickness, 1,366 kg of mass, 100,25 N of maximum force and 4,09 MPa of maximum tension. Thus, it can be concluded that the analysis generated consistent results that meet the specifications of load and dimensions, attended the purposes of mass reduction and specification of a material capable of meeting imposed demands, and also opened opportunities for future work.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/8215
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