Análise de tensões integrada a sistema de engenharia reversa para projeto e confecção de próteses

This work consists of the conception, developing and implementation of a Computational Routine CAE which has algorithms suitable for the tension and deformation analysis. The system was integrated to an academic software named as OrtoCAD. The expansion algorithms for the interface CAE genereated by this work were developed in FORTRAN with the objective of increase the applications of two former works of PPGEM-UFRN: project and fabrication of a Electromechanincal reader and Software OrtoCAD. The software OrtoCAD is an interface that, orinally, includes the visualization of prothetic cartridges from the data obtained from a electromechanical reader (LEM). The LEM is basically a tridimensional scanner based on reverse engineering. First, the geometry of a residual limb (i.e., the remaining part of an amputee leg wherein the prothesis is fixed) is obtained from the data generated by LEM by the use of Reverse Engineering concepts. The proposed core FEA uses the Shell's Theory where a 2D surface is generated from a 3D piece form OrtoCAD. The shell's analysis program uses the well-known Finite Elements Method to describe the geometry and the behavior of the material. The program is based square-based Lagragean elements of nine nodes and displacement field of higher order to a better description of the tension field in the thickness. As a result, the new FEA routine provide excellent advantages by providing new features to OrtoCAD: independency of high cost commercial softwares; new routines were added to the OrtoCAD library for more realistic problems by using criteria of fault engineering of composites materials; enhanced the performance of the FEA analysis by using a specific grid element for a higher number of nodes; and finally, it has the advantage of open-source project and offering customized intrinsic versatility and wide possibilities of editing and/or optimization that may be necessary in the future

Este trabalho consiste na concepção, desenvolvimento e implementação de um Módulo Computacional CAE contendo algoritmos para a análise de tensões e deformações integrado a um software acadêmico de visualização denominado OrtoCAD. Os algoritmos de expansão para a interface CAE que são frutos desse trabalho foram desenvolvidos na linguagem FORTRAN objetivando complementar e ampliar as potencialidades de dois trabalhos previamente desenvolvidos no âmbito do PPGEM-UFRN, a saber: projeto e fabricação de um Leitor EletroMecânico e o software OrtoCAD. O OrtoCAD é uma interface CAD que, originalmente, inclui a visualização 3D de cartuchos protéticos a partir de dados gerados por um equipamento (espécie de scanner tridimensional simplificado que utiliza engenharia reversa) dotado de um sistema de Leitura Eletro-Mecânica (LEM). Inicialmente, a geometria de um coto (i.e. parte remanescente de uma perna amputada e onde a prótese se encaixa) é obtida a partir dos dados produzidos pelo equipamento LEM, aplicando-se os conceitos da Engenharia Reversa. O núcleo FEA proposto aplica os conceitos de teoria da casca, onde uma lâmina 2D é gerada a partir de um peça sólida 3D oriunda do OrtoCAD. O programa de análise de casca desenvolvido utiliza o Método dos Elementos Finitos (MEF) para a descrição da geometria assim como a análise de comportamento do material, fazendo a utilização de elementos de base Lagrangeana quadrangular de nove nós e campo de deslocamento de ordem superior para melhor descrição do campo de tensões na espessura. Como resultado o novo módulo FEA oferece ótimas vantagens ao prover o OrtoCAD com novas funcionalidades, a saber: possibilitou a independência dos softwares comerciais de elevado custo; ampliou a biblioteca disponibilizando novas rotinas computacionais que tratam o problema de forma mais realística utilizando critérios de falhas de engenharia voltados para materiais compósitos; melhorou a performance da análise FEA ao utilizar um elemento de malha específico que contempla um maior número de nós e, finalmente, possui a vantagem de ser aberto e customizado oferecendo versatilidade intrínseca e amplas possibilidades de edição, ajuste e/ou otimização que se façam necessárias no futuro