Otimização de um tubo para prótese de membro inferior de estruturas de travessas rígidas

Abstract

Os tubos protéticos geralmente são estruturas tubulares sem juntas ou partes móveis. Em amputações de membros inferiores substitui o papel dos ossos tíbia e fíbula como estrutura de suporte e transferência de carga durante a caminhada ou corrida. Comumente, os tubos protéticos são fabricados utilizando materiais metálicos como aços inox, alumínio e titânio. A massa destes tubos geralmente é elevada em comparação com os tubos fabricados em compósito de matriz polimérica reforçado com fibra de carbono. Sendo assim, este trabalho tem como principal objetivo otimizar um novo conceito de tubo, fabricado em material compósito, que faz uso de estrutura de travessas rígidas e camada interna de suporte estrutural. Para o desenvolvimento do trabalho, foi utilizado uma técnica de Superfície de Resposta (RSM), sendo esta, utilizada para definir quais dados, em que quantidade e em que condições devem ser coletados durante um determinado experimento, buscando, basicamente, satisfazer dois grandes objetivos: a maior precisão estatística possível na resposta e o menor custo. Após a análise inicial da RSM, foi utilizado o método de elementos finitos para os cálculos estruturais e validação do tubo para cada condição do experimento gerado pela RSM, sendo que para validar o tubo são necessárias análises de compressão e torção. Com os resultados obtidos, foi possível encontrar equações que regem o problema. Porteriormente, obtendo as equações do meta-modelo, foi possível otimizar os parâmetros das equações que traduzem as respostas estruturais do tubo de travessas rígidas por meio do algoritmo de enxame de partículas (PSO) e do algoritmo genético (GA). Estas configurações ótimas foram analisadas computacionalmente e verificadas que são viáveis para utilização. Partindo de um modelo existente e otimizando a configuração para o melhor coeficiente de Tsai-Wu, quando a estrutura está submetida a compressão, conseguiu-se diminuí-lo aproximadamente 83%. Já otimizando a massa, foi possível diminuí-la em 14% e ter um coeficiente de Tsai-Wu 22% menor. Na otimização multi-objetivo, reduziu-se o Tsai-Wu de compressão em 63%. Sendo assim, o objetivo de se obter uma configuração ótima para um novo conceito de tubo para próteses de membros inferiores foi alcançado.