Os biopolímeros surgem como materiais alternativos no atendimento aos requisitos de desempenho que a área médica tem exigido para implantes ósseos. Nesse contexto o polímero poliuretano derivado de óleo de mamona (Ricinus communis) tem obtido lugar de destaque. Mesmo assim, esse material, considerado um biopolímero regenerador ósseo, ainda necessita de investigação mecânica consistente para uma aplicação de forma confiável. No entanto, há uma grande dificuldade em se prever o comportamento mecânico das estruturas fabricadas por biopolímeros. Diante desse fato, o presente projeto de pesquisa visa através de ensaios experimentais em amostras padronizadas para ensaios de tração e compressão, bem como, ensaios normalizados para próteses de quadril, adquirir propriedades de material adequadas para a implementação dos modelos computacionais, assim como dados de comportamento mecânico sob solicitação. De posse desses dados, através do método dos elementos finitos, são realizadas simulações computacionais com o objetivo de verificar a capacidade do modelo de material de Drucker-Prager representar o comportamento mecânico do biopolímero. Este modelo é aplicado inicialmente na simulação dos ensaios de tração e compressão e posteriormente nas simulações das próteses em biopolímero, onde carregamentos mais complexos estão presentes. Os resultados obtidos nas simulações são analisados e discutidos para fins de validação do uso deste modelo de material em estruturas fabricadas com o biopolímero. / Biopolymers have been widely used as alternative materials to attend the performance requirements that medical area has demanded to bone implants. In this way, the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis) has taken a distinct place. Nevertheless, this material, considered bone constructive, still needs a consisting mechanical investigation for a reliable application, despite the great difficulty to predict the mechanical behavior of biopolymer structures. Face this fact, this work intends through experiments in normalized specimens for tensile and compressive tests, as well as normalized tests for hip implants, to obtain material properties and mechanical behavior data required to implement computational models of the hip prosthesis. Using the finite element method, computational simulations are carried out to verify the capability of Drucker-Prager material model to represent the biopolymer mechanical behavior. This model is first applied in tensile and compressive tests simulations, and further in prosthesis biopolymer simulations, where more complex loadings are present. The results of these simulations are analyzed and discussed in order to validate the use of this material model in biopolymers structures.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.