Análise mecânica da coluna lombar com ênfase nos esforços nos ligamentos
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2013 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9C9K6W |
Resumo: | Este documento descreve simulações pelo método dos elementos finitos da coluna lombar, incluindo cálculos das tensões principais, propriedades mecânicas não-lineares para ossos e ligamentos, e representações dos ligamentos considerando contrações e geometrias naturais, verificando como os princípios das estruturas em tensegridade contribuem para o entendimento de sua estabilidade e os efeitos de próteses discais em sua mobilidade. Este estudo estático não-linear da coluna lombar inclui a construção de modelo geométrico computacional representativo da coluna, definição das condições de contorno e de contato, definição das propriedades mecânicas, geração das malhas de elementos finitos, geração dos resultados, cálculo das rotações, comparação com a literatura e verificação das tensões. O modelo tridimensional citado representa da primeira à quinta vértebra lombar, seus ligamentos e discos. O conjunto foi montado sem interferências e fixado em sua base em todas as direções. Sucessivos estudos não-lineares foram realizados, utilizando condições de contato do tipo colado, e contraindo os ligamentos, longitudinal anterior, longitudinal posterior, amarelos, interespinhais, supra-espinhal e intertransversários, por uma analogia térmica, com o propósito de estabelecer as tensões observadas na coluna lombar natural antes de carregamentos. Após a definição da configuração inicial de equilíbrio, o modelo de elementos finitos do conjunto foi submetido a momentos de 10 Nm em flexão e em extensão. No estudo de próteses discais para a coluna lombar, os materiais dos discos foram substituídos por material protético, mantendo o tipo de estudo, as geometrias, e as condições de contorno e de contato. Malhas e resultados foram gerados para comparar ângulos e tensões entre os modelos para as colunas, natural e protética. As simulações da coluna saudável manifestaram trações permanentes na maioria dos ligamentos, compressões permanentes nos núcleos, e compressões e trações simultâneas nos ossos e anéis. A coluna manifesta evidências de tensegridade, formando ilhas de compressão denominadas complexos comprimidos, dentro de um oceano de tração denominado complexo tracionado e representado pelos ligamentos e estruturas vizinhas. A substituição dos discos, pelo material elástico linear, reduziu os ângulos de flexão e de extensão da coluna lombar. Palavras-chave: estruturas em tensegridade; coluna lombar; modelagem geométrica; método dos elementos finitos; próteses. |
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Estevam Barbosa de Las CasasMarcelo GrecoMarco Tulio Correa de FariaLuciano Luporini MenegaldoEduardo Alberto FancelloDavid Goncalves de Oliveira2019-08-11T09:23:59Z2019-08-11T09:23:59Z2013-08-12http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9C9K6WEste documento descreve simulações pelo método dos elementos finitos da coluna lombar, incluindo cálculos das tensões principais, propriedades mecânicas não-lineares para ossos e ligamentos, e representações dos ligamentos considerando contrações e geometrias naturais, verificando como os princípios das estruturas em tensegridade contribuem para o entendimento de sua estabilidade e os efeitos de próteses discais em sua mobilidade. Este estudo estático não-linear da coluna lombar inclui a construção de modelo geométrico computacional representativo da coluna, definição das condições de contorno e de contato, definição das propriedades mecânicas, geração das malhas de elementos finitos, geração dos resultados, cálculo das rotações, comparação com a literatura e verificação das tensões. O modelo tridimensional citado representa da primeira à quinta vértebra lombar, seus ligamentos e discos. O conjunto foi montado sem interferências e fixado em sua base em todas as direções. Sucessivos estudos não-lineares foram realizados, utilizando condições de contato do tipo colado, e contraindo os ligamentos, longitudinal anterior, longitudinal posterior, amarelos, interespinhais, supra-espinhal e intertransversários, por uma analogia térmica, com o propósito de estabelecer as tensões observadas na coluna lombar natural antes de carregamentos. Após a definição da configuração inicial de equilíbrio, o modelo de elementos finitos do conjunto foi submetido a momentos de 10 Nm em flexão e em extensão. No estudo de próteses discais para a coluna lombar, os materiais dos discos foram substituídos por material protético, mantendo o tipo de estudo, as geometrias, e as condições de contorno e de contato. Malhas e resultados foram gerados para comparar ângulos e tensões entre os modelos para as colunas, natural e protética. As simulações da coluna saudável manifestaram trações permanentes na maioria dos ligamentos, compressões permanentes nos núcleos, e compressões e trações simultâneas nos ossos e anéis. A coluna manifesta evidências de tensegridade, formando ilhas de compressão denominadas complexos comprimidos, dentro de um oceano de tração denominado complexo tracionado e representado pelos ligamentos e estruturas vizinhas. A substituição dos discos, pelo material elástico linear, reduziu os ângulos de flexão e de extensão da coluna lombar. Palavras-chave: estruturas em tensegridade; coluna lombar; modelagem geométrica; método dos elementos finitos; próteses.This document describes simulations by the finite element method of the lumbar spine, including calculations of the principal stresses, nonlinear mechanical properties for bones and ligaments, and ligament representations considering natural contractions and geometries, verifying how the tensegrity structure principles contribute for the knowledge of its stability and the effect of discal prosthesis in its mobility. This nonlinear static study of the lumbar spine includes the construction of the computational geometric model representing the spine, definition of the boundary and contact conditions, definition of the mechanical properties, generation of finite element meshes, generation of the results, calculation of the rotations, comparison with the literature and verification of the stresses. The three-dimensional model mentioned represents from the first to the fifth lumbar vertebra, their ligaments and discs. The model was assembled without interferences and fixed in its base in all directions. Successive nonlinear studies were done, using bonded contact conditions, and contracting the anterior longitudinal, posterior longitudinal, flavum, interspinous, supraspinous and intertransverse ligaments by a thermal analogy, with the purpose of establishing the stresses observed in the natural lumbar spine before loading. After the definition of the initial configuration of balance, the finite element model was submitted to 10 Nm flexure and extension moments. In the study of discal prosthesis for the lumbar spine, the materials of the discs were changed to prosthetic material, maintaining the study type, the geometries, and the boundary and contact conditions. Meshes and results were generated to compare of angles and stresses between the natural and prosthetic spine models. The simulations of the health spine showed permanent tension in most of the ligaments, permanent compressions in the nucleus, and simultaneous compressions and tensions in the bones and annulus. The spine manifests evidences of tensegrity, forming compression islands named compressed complexes, inside an ocean of tension named tensioned complex and represented by the ligaments and neighboring structures. The substitution of the discs, for the linear elastic material, reduced the flexure and extension angles of the lumbar spine. Keywords: tensegrity structures; lumbar spine; geometric modeling; finite element method; prosthesis.Universidade Federal de Minas GeraisUFMGEngenharia de estruturasMétodo dos elementos finitosBioengenhariaColuna lombarPrMétodo dos elementos finitosColuna lombarEstruturas em tensegridadeModelagem geométricaAnálise mecânica da coluna lombar com ênfase nos esforços nos ligamentosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALestrutura_da_coluna_lombar.pdfapplication/pdf5200409https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/BUOS-9C9K6W/1/estrutura_da_coluna_lombar.pdf668fd4d57757a84cd9b75883b5b7cf33MD51TEXTestrutura_da_coluna_lombar.pdf.txtestrutura_da_coluna_lombar.pdf.txtExtracted texttext/plain193120https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/BUOS-9C9K6W/2/estrutura_da_coluna_lombar.pdf.txt0180e33631a5c577a0397690b4e68a7dMD521843/BUOS-9C9K6W2019-11-14 03:29:41.945oai:repositorio.ufmg.br:1843/BUOS-9C9K6WRepositório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2019-11-14T06:29:41Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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