Análise numérica e experimental de ligações por parafusos metálicos do tecido ósseo cortical de cabra: fratura cominuta redutível

Data
2016-05-05
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Resumo
Esta dissertação tem como objetivo a caracterização mecânica de um sistema destinado a assegurar a imobilização de fraturas femorais com recurso a placas metálicas internas. A fratura que será estudada neste documento será a fratura cominuta redutível com recurso a uma placa espessa fixa com furos desfasados. Para esta caracterização, experimentalmente, realizou-se um ensaio de flexão em quatro pontos. Este ensaio revelou o comportamento não linear do tecido ósseo cortical, na medida em que o dano desenvolvido ficou circunscrito ao osso. Numericamente, modelou-se cada elemento da montagem realizada empregando o método dos elementos finitos, com o propósito de simular o ensaio mecânico. Com esse propósito, dispuseram-se elementos coesivos nas regiões do modelo onde se observou o desenvolvimento do dano no tecido ósseo, recorrendo a uma rotina de modo misto (I+II). O objetivo principal consistiu em reproduzir numericamente a curva força-deslocamento obtida no ensaio de flexão em quatro pontos, permitindo assim validar o modelo numérico. Esta análise reveste-se de uma grande importância visto que permite conciliar as valências de duas áreas distintas, no entanto complementares, como a Engenharia Estrutural e a Medicina. Com o envelhecimento progressivo da população e a crescente incidência de doenças como a osteoporose na população mais velha, a Medicina tem que conseguir dar respostas mais eficientes aos vários problemas associados ao tecido ósseo, e, em particular às fraturas. A ferramenta numérica que se desenvolveu neste estudo, permite analisar de forma rigorosa um conjunto de cenários destinados à estabilização de fraturas ósseas de uma forma muito realista. A autora deste estudo é de opinião de que esta ferramenta constitui um precioso auxílio ao serviço de equipas cirúrgicas, no apoio à decisão.
The main goal of this MSc Thesis was to perform the numerical and experimental characterization of a fixation system currently used by surgeons to assure the repairing of femoral fractures by means of an internal metal plate and bicortical screws. With this purpose, a comminute femoral fracture was stabilized using a thick osteosynthesis metal plate and staggered bicortical screws. The repairing assembly was then submitted to a four-point-bending test, revealing a non-linear behaviour, which was due to damage onset and propagation visible in bone. A realistic finite element model was developed involving the totality of the used accessories (bone, screws and metal plate) using cohesive elements to mimic the non-linear behaviour observed in the experiments. These cohesive elements have been disposed in those regions of the bone model where the damage had been observed. A mixed-mode (I+II) routine was used to perform such a simulation in a finite element method software. The aim was to reproduce numerically the load-displacement curve issued from the mechanical test, as to validate the developed tool. This analysis is essential since it enables conciliating the benefits of complementary areas like Structural Engineering and Medicine. With the growing increase of elderly population and the proliferation of diseases like osteoporosis, Medicine has to provide more efficient solutions for those problems affecting bone tissue, such as those involving the repair of bone fractures. The numerical tool that has been developed in this study enables analysing in an accurate manner a wide range of realistic scenarios that permit accomplishing the fixation of bone fractures. Therefore, it is expected that the developed numerical tool permits surgeons to analyse different scenarios of bone repairing in a very realistic manner.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Fémur , Cabra , Fratura , Elementos finitos (interface) , Ensaio de flexão
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