Degeneration and age affect the biomechanics of the intervertebral disc, by reducing its stiffness, flexibility and shock absorption capacities against daily movement and spinal load. The biomechanical characterization of intervertebral discs is achieved by conducting mechanical testing to vertebra-disc-vertebra segments and applying axial, shear, bend and torsion loads, statically or dynamically, with load magnitudes corresponding to the physiological range. However, traditional testing does not give a view of the load and deformation states of the disc components: nucleus pulposus, annulus fibrosus and endplate. Thus, the internal state of stress and strains of the disc can only be predicted by numerical methods, one of which is the finite element method. The objective of this thesis was, to study the biomechanics of degenerated intervertebral discs to load conditions in compression, bending and torsion, by using mechanical testing and a finite element model of disc degeneration, based on magnetic resonance imaging (MRI). Therefore, lumbar discs obtained from cadavers corresponding to spinal levels L2-L3 and L4-L5 with mild to severe degeneration were used. Intervertebral osteochondrosis and spondylosis deformans were identified, being the disc space collapse, the most striking feature. Next, all discs were tested to static and dynamic load conditions, the results gained corresponded to the disc stiffness (in compression, bending and torsion), stress relaxation and dynamic response. Of these, the stiffness response was used to validate the disc model. The testing results suggest that discs with advanced degeneration over discs with mild degeneration are, less rigid in compression, less stiffer under bending and torsion, showed less radial bulge, and reduce their viscoelastic and damping properties. This study shows that degeneration has an impact on the disc biomechanical properties which can jeopardize normal functionality. Development of one finite element model of disc degeneration started by choosing a MRI of a L2-L3 disc. Segmentation of vertebra bone and disc materials followed, and were based on pixel brightness and radiology fundamentals, then a finite element mesh was created to account for the disc irregular shape. The disc materials were modeled as hyperelastic and the bone materials were modeled as orthotropic and isotropic. Adjustment of material properties was based on integrity of the annulus fibrosus, giving a stiffness value matching that of a mild degeneration disc. Then, validation of the model was performed, and included a study of the distributions of stress and strain under loads of compression, bending and torsion. The results from all load simulations show that the disc undergoes large deformations. In contrast, the vertebrae are subjected to higher stress but with negligible deformations. In compression, the model predicted formation of symmetrical disc bulge which agree with the testing behavior. The nucleus pulposus showed to be the principal load carrier with negative principal stresses and strains. In bending and torsion, the annulus fibrosus showed to be the principal load carrier with large symmetrical principal strains and stresses for the former loading and large shearing for the latter. The study showed the importance of soft tissue deformation, mostly noticed in advanced degeneration. In contrast, the higher stresses in the vertebra over those of the intervertebral disc showed the relevance of bone predisposition to fracture. Such kind of studies, should contribute to the understanding of the biomechanics of the intervertebral disc. / La degeneración y edad afectan la biomecánica del disco intervertebral, reduciendo la capacidad de rigidez, flexibilidad y atenuación de impactos, contra el movimiento y carga del raquis. La caracterización biomecánica del disco se realiza con ensayos mecánicos a segmentos de vértebra-disco-vértebra y aplicando cargas axiales, cortantes, flexión y torsión, estáticas ó dinámicas, con magnitudes de carga según el intervalo fisiológico. Sin embargo, las pruebas tradicionales no dan una visión de los estados de carga y deformación de los componentes del disco: núcleo pulposo, anillo fibroso y placa terminal. Por lo tanto, el estado interno de esfuerzos y deformaciones del disco, solo puede ser predicho con métodos numéricos, uno de los cuales es el método de elemento finito. El objetivo de esta tesis fue, estudiar la biomecánica de discos intervertebrales degenerados a las condiciones de carga en compresión, flexión y torsión, mediante el uso de ensayos mecánicos y de un modelo de elementos finitos de la degeneración de disco, basado en imágenes con resonancia magnética (MRI). Por lo tanto, se usaron discos lumbares L2-L3 y L4-L5 obtenidos de cadáveres, con degeneración leve a severa. Se identificó osteocondrosis intervertebral y espondilosis deformante, siendo el colapso del espacio intervertebral el aspecto más relevante. Luego, todos los discos fueron ensayados a condiciones de carga estática y dinámica, y los resultados correspondieron a la rigidez del disco (a compresión, flexión y torsión), a la relajación de tensiones y a la respuesta dinámica. De éstos, la rigidez fue usada para validar el modelo de disco. Los resultados de los ensayos sugieren que los discos con degeneración avanzada sobre aquellos con degeneración leve son, menos rigidos a compresión, menos rigidos a flexión y torsión, presentan menor protuberancia radial, y reducen sus propiedades viscoelásticas y de amortiguamiento. El estudio muestra que la degeneración impacta las propiedades biomecánicas del disco, poniendo en riesgo la funcionalidad normal. El desarollo de un modelo de elementos finitos de la degeneración de disco inició eligiendo una secuencia de resonancia magnética de un disco L2-L3. La segmentación de los materiales del disco y de las vértebras se realizó basado en intensidad de brillo del pixel y en fundamentos de radiología, y se creó una malla de elementos finitos correspondiente a la forma irregular del disco. Los materiales del disco se modelaron como hiperelásticos y los tejidos óseos se modelaron como materiales ortotrópicos e isotrópicos. El ajuste de propiedades de los materiales fue basado en la integridad del anillo fibroso, y dio una rigidez correspondiente a la de un disco con degeneración leve. Luego, se realizó la validación del modelo, e incluyó un estudio de las distribuciones de esfuerzo y deformación a las condiciones de carga en compresión, flexión y torsión. Los resultados de todas las simulaciones de carga mostraron que el disco es sometido a grandes deformaciones. En contraste, las vértebras fueron sometidas a mayores esfuerzos pero con deformaciones insignificantes. En compresión, el modelo predijo la formación de una protuberancia radial simétrica, en concordancia con la experimentación. El núcleo pulposo mostró ser el portador principal de carga, con tensiones y deformaciones principales negativas. En flexión y torsión, el anillo fibroso mostró ser el portador principal de carga, con grandes deformaciones y tensiones principales simétricas para la primera carga, y con grandes tensiones cortantes para la segunda carga. El estudio mostró la importancia de las deformaciones de los tejidos blandos, principalmente notados en la degeneración avanzada. Por el contrario, las tensiones mayores en los cuerpos vertebrales sobre aquellas del disco intervertebral mostraron la relevancia de la predisposición a las fracturas óseas. Este tipo de estudio debe contribuir a la comprensión de la biomecánica del disco intervertebral.

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[ES] La evolución de la tendencia del pensamiento de la gente en los últimos años ha cambiado, llevándonos a adquirir nuevos valores enfocados en la sostenibilidad de los recursos naturales y el respeto hacia el medio ambiente. Con ello, la perspectiva de producto se ha visto afectada en todos los sectores, incluido el sector de la automoción. La aparición de nuevas normas medioambientales han establecido obligaciones sobre los fabricantes de vehículos respecto a la reducción de consumo y emisiones contaminantes por lo que cada vez es más habitual identificar materiales ligeros en vehículos de uso cotidiano con la finalidad de mejorar la eficiencia energética a partir de la reducción de masa. El presente estudio pretende avanzar un paso más en la utilización de materiales compuestos centrando su temática en el desarrollo de nuevos materiales para la fabricación de componentes estructurales de vehículos que permitan la reducción de consumos desde un punto de vista sostenible. Para ello se plantea la aplicación de nuevos materiales compuestos basados en la utilización de fibras naturales, que sustituyan a los materiales utilizados tradicionalmente. En el estudio se plantea la utilización de una única matriz (epoxi) común a todos los tejidos naturales ensayados que permita realizar un estudio comparativo centrado en los tejidos, para obtener un material compuesto eficiente en su fabricación, uso y reciclaje buscando el equilibrio entre densidad, coste, resistencia y reciclabilidad. El estudio ha consistido en la realización de ensayos de tracción, compresión, flexión, impacto, dureza, cortadura y fatiga, a partir de los cuales se han podido extraer las propiedades mecánicas necesarias para realizar un modelo MEF uniaxial en el software ANSYS ACP, comparando resultados con distintas orientaciones de fibras. Tras esto, se ha dimensionado un componente utilizando el modelo MEF uniaxial para un estudio multiaxial. Este componente ha sido fabricado y posteriormente ensayado en un banco de fatiga con la finalidad de contrastar los resultados del software con los obtenidos empíricamente, y a su vez validar la aplicación. / [CA] L'evolució de la tendència del pensament de la gent als últims anys ha canviat, portant-nos a adquirir nous valors enfocats a la sostenibilitat dels recursos naturals i al respecte cap al medi ambient. A causa d'això, la perspectiva de producte s'ha vist afectada en tots els sectors, inclòs al sector de l'automoció. L'aparició de noves normes mediambientals han establit obligacions sobre els fabricants de vehicles respecte a la reducció de consum i emissions contaminants pel que cada vegada és més habitual identificar materials lleugers en vehicles d'ús quotidià amb la finalitat de millorar l'eficiència energètica a partir de la reducció de massa. El present estudi pretén avançar un pas més en la utilització de materials compostos centrant la seua temàtica en el desenvolupament de nous materials per a la fabricació de components de vehicles que permeten la reducció de consums des d'un punt de vista sostenible. Per a això es planteja l'aplicabilitat de nous materials compostos basats en la utilització de fibres naturals, que substituïsquen els materials emprats tradicionalment. En l'estudi es planteja la utilització d'una única matriu (epoxi) comú a tots els teixits naturals assajats que permeta realitzar un estudi comparatiu centrat en els teixits per obtindre un material compost eficient en la seua fabricació, ús i reciclatge, buscant l'equilibri entre densitat, cost, resistència i reciclabilitat. L'estudi ha consistit en la realització d'assajos de tracció, compressió, flexió, impacte, duresa, tallant i fatiga, a partir dels quals s'han pogut extraure les propietats mecàniques necessàries per a realitzar un model MEF uniaxial al programa ANSYS ACP, comparant resultats amb diferents orientacions de fibres. Després d'això, s'ha dimensionat un component utilitzant el model MEF uniaxial per a un estudi multiaxial. Aquest component s'ha fabricat i posteriorment s'ha assajat en un banc de fatiga amb la finalitat de contrastar els resultats del programa amb els obtinguts empíricament, i alhora ha servit per validar l'aplicació. / [EN] The evolution of the trend of people's thinking in recent years has changed, leading us to acquire new values focused on the sustainability of natural resources and respect for the environment. As a result, the product outlook has been affected in all sectors, including the automotive. The imposition of new environmental regulations has established obligations for vehicle manufacturers in terms of fuel consumption and polluting emissions, which is why it is increasingly common to identify lightweight materials in everyday vehicles, in order to improve energy efficiency through from mass reduction. This study seeks to advance the use of composite materials, focusing its theme on the development of new materials for the manufacture of structural vehicle components. For this, it is proposed the development of new composite materials based on the use of natural fibers is proposed to replace the materials traditionally used. In the work is proposed a comparative study focused on fabrics, using a single matrix (epoxy) common to all the test specimens, to obtain an efficient composite material in its manufacture, use and recycling, seeking the balance between density, cost, resistance and recyclability. During the development of the research, it has been necessary to perform tensile, compression, bending, impact, hardness, shear and fatigue tests to extract the mechanical properties necessary to make a uniaxial MEF model in the ANSYS ACP software, comparing results with different orientations fibers. After this, a component has been dimensioned using the uniaxial FEM model for a multiaxial study. This component has been manufactured and subsequently tested in a fatigue bench in order to compare the results of the software with those obtained empirically, and in turn validate the application. / Oliver Borrachero, BA. (2021). Estudio de la utilización de fibras naturales en materiales compuestos laminados para fabricación de componentes de automoción [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165809

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-06T20:12:23Z No. of bitstreams: 1 TACIANA REGINA DE GOUVEIA - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 4953603 bytes, checksum: ea581c261908041111cd0d411a551545 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-06T20:12:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TACIANA REGINA DE GOUVEIA - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 4953603 bytes, checksum: ea581c261908041111cd0d411a551545 (MD5) Previous issue date: 2014-08-28 / Capes / Os polímeros derivados do petróleo têm provocado impactos ambientais devido ao descarte inadequado. Uma alternativa para esse problema é a utilização de polímeros biodegradáveis ou a produção de blendas a partir destes polímeros. Neste trabalho, foram preparadas blendas de poli (ácido lático) - PLA, poli (caprolactona) - PCL, com três copolímeros diferentes: EMA, E-GMA e o EMAGMA que são copolímeros de etileno-acrilato de metila, etileno-metacrilato de glicidila e o terpolímero etileno-acrilato de metila-metacrilato de glicidila, respectivamente. As composições utilizadas para as blendas foram as seguintes: PLA/PCL (90/10), PLA/PCL (80/20), PLA/Copolímeros (90/10) e PLA/PCL/Copolímeros (80/10/10). Estas foram preparadas por fusão em uma extrusora de rosca dupla corrotativa e, em seguida, moldadas por injeção sob a forma de corpos de prova de tração, impacto e HDT. Todas as composições foram caracterizadas por: ensaios mecânicos de tração e impacto, temperatura de distorção térmica - HDT, calorimetria exploratória diferencial - DSC, difração de raios X - DRX, análise térmica dinâmica-mecânica - DMTA, espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier - FTIR, microscopia eletrônica de varredura - MEV, reometria de torque, ensaio reológico e reometria capilar. As propriedades mecânicas apresentaram redução nos valores do módulo e da resistência à tração e um aumento no alongamento e na resistência ao impacto para todas as composições quando comparadas com o PLA puro, com destaque para as composições que continham o copolímero EMA-GMA. A HDT não apresentou mudanças significativas para as diferentes composições em comparação com o PLA puro. O comportamento térmico e termomecânico foi avaliado por DSC e por DMTA e foi possível observar a transição térmica das blendas. Por DRX foi possível observar as fases cristalinas das blendas de PLA. A morfologia da superfície de fratura observada por MEV ilustrou que ocorreram mudanças significativas em função da composição. Os resultados de reometria de torque não apresentaram mudanças significativas no comportamento do PLA, enquanto que os resultados obtidos no ensaio reológico ilustraram aumento no módulo de armazenamento em todas as composições. A partir do ensaio de reometria capilar foi visto que houve redução da viscosidade aparente e da tensão de cisalhamento sob altas taxas de cisalhamento para todas as composições. / The polymers derived from petroleum have caused environmental impacts due to improper disposal. An alternative to this problem is the use of biodegradable polymers or blends production from these polymers. In this work, blends of poly (lactic acid) - PLA, poly (-caprolactone) - PCL, were prepared with three different copolymers: EMA, E-GMA and EMA-GMA are copolymers the ethylene-methyl acrylate, ethylene-glycidyl methacrylate and terpolymer ethylene-methyl acrylate-glycidyl methacrylate respectively. The compositions used in the blends were as follows: PLA/PCL (90/10) PLA/PCL (80/20) PLA/ Copolymer (90/10) and PLA/PCL/Copolymer (80/10/10). These were prepared by melting in an extruder twin screw co-rotating and then injection molded in the form of specimens tensile, impact and HDT. All compositions were characterized by: mechanical tensile and impact , heat distortion temperature - HDT, differential scanning calorimetry - DSC, X-ray diffraction - XRD, dynamic mechanical thermal analysis – DMTA, spectroscopy in the infrared region by transform Fourier - FTIR, scanning electron microscopy - SEM, torque rheometer, rheological testing and capillary rheometer. The mechanical properties showed reduced values of modulus and tensile strength and an increase in elongation and impact resistance for all compositions when compared with pure PLA, especially for compositions containing copolymer EMA-GMA. The HDT showed no significant changes for the different compositions compared with pure PLA. The thermal and thermomechanical behavior was evaluated by DSC and DMTA and it was possible to observe the thermal transition of the blends. XRD was possible to observe the crystalline phases of the blends of PLA. The morphology of the fracture surface was observed by SEM illustrated that significant changes as a function of composition. The torque rheometer results showed no significant change in the behavior of PLA, while the rheological test results illustrate the increase in storage modulus in all compositions. From the test capillary rheometer was seen that there was a reduction in the apparent viscosity and shear stress at high shear rates for all compositions.