Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: Dinamômetros biomédicos são equipamentos utilizados para medir forças exercidas pelas mãos. Com o uso deste tipo de equipamento, é possível realizar avaliações biomecânicas das mãos de pacientes que após cirurgias, acidentes ou patologias osteomioarticulares, tiveram redução na sua capacidade de exercer forças com as mãos. O objetivo deste trabalho foi a implementação de um dinamômetro biomédico ergonômico, de fácil utilização, com capacidade de comunicação com diferentes tipos de dispositivos móveis, como smartphones e tablets. O projeto realizado se constitui no aprimoramento de duas versões anteriores de dinamômetros implementadas no Laboratório de Instrumentação Eletrônica e Engenharia Biomédica da UNESP –Campus de Ilha Solteira. Testes em voluntários utilizando o dinamômetro desenvolvido e um dinamômetro comercial da marca SAEHAN, e posterior análise estatística dos dados revelam uma excelente confiabilidade intra-examinador para o dinamômetro desenvolvido, com coeficiente de correlação intraclasse médio de 0,95 entre os diferentes grupos analisados, e de 0,98 para o dinamômetro SAEHAN. A análise estatística revela também uma excelente confiabilidade concorrente para as medidas realizadas pelo dinamômetro desenvolvido em relação às do dinamômetro SAEHAN, sendo de 0,93 para mãos dominantes e 0,92 para mãos não dominantes. Assim, o dinamômetro desenvolvido é confiável, válido e comparável com o dinamômetro SAEHAN quando adotados os mesmos procedimentos de exame de preensão... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Biomedical dynamometers are equipment used to measure forces exerted by the hands. Using this type of equipment, it is possible to perform biomechanical evaluations of the hands of patients that after surgery, accidents or diseases have had a reduction in the ability to exert force with their hands. The objective of this work was the implementation of an ergonomic biomedical dynamometer, easy to use, with ability to communicate with different types of mobile devices such as smartphones and tablets. The project carried out constitutes the improvement of two previous dynamometers versions implemented in the Electronic Instrumentation and Biomedical Engineering Laboratory at UNESP - Ilha Solteira. Volunteer tests using the developed dynamometer and a commercial SAEHAN dynamometer, and subsequent statistical analysis of the data revealed an excellent intra-examiner reliability for the developed dynamometer, a mean of 0,95 among different groups analyzed, and a mean of 0,98 for the SAEHAN dynamometer. The statistical analysis also revealed an excellent concurrent reliability for the measurements performed by the dynamometer developed in relation to those of the SAEHAN dynamometer, being 0,93 for dominant hands and 0,92 for non-dominant hands. Thus, the developed dynamometer is reliable, valid and comparable with the SAEHAN dynamometer when the same grip strength examination procedures were adopted. / Mestre

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Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.

Für Festigkeitsnachweise hat sich die Methode der Finiten Elemente (FEM) als Goldstandard etabliert. Zwar wird sowohl bei der Modellbildung als auch bei der Auswertung der Ergebnisse nach wie vor eine intellektuelle Eigenleistung gefordert, die Ergebnisse selbst sind aber unter dieser Voraussetzung zuverlässig und tendenziell reproduzierbar. Dank der Leistungsfähigkeit der heutigen Arbeitsplatzrechner werden zunehmend große Produkte betrachtet – Assemblies, die aus einer Vielzahl unterschiedlichster Parts bzw. Baugruppen bestehen. Hier begegnen wir einem neuen Phänomen. Es gibt oft Basisstrukturen, in denen Detailstrukturen enthalten sind, deren geometrische Abmessungen sich um mehrere Größenordnungen von den Gesamtabmessungen unterscheiden können. Eine gemeinsame Elementierung erweist sich dabei als wenig sinnvoll. Ebenso findet man oft eine große Anzahl von Gleichteilen, für die im Prinzip jeweils eine Mustervernetzung genügt. Selbst wenn die FE-Software dies zulassen sollte, bleibt das Problem der extrem unterschiedlichen Elementgrößen innerhalb eines Modells. Das häufig propagierte defeaturing, für das sogar Automatisierungsansätze existieren, ist ebenso wenig zielführend, weil es auf geometrische Details bezogen ist, die nicht notwendig physikalische Funktionselemente darstellen. Gerade die physikalischen Eigenschaften der Parts sollten ja erhalten bleiben und in die Analyse einfließen. In Einzelfällen werden physikalisch motivierte Vereinfachungen praktiziert; so werden Wellen auf Balkenstrukturen reduziert, wenn man sich nur für die mechanischen Eigenschaften von Rotoren interessiert. Eine Verallgemeinerung und Systematisierung solcher Individualansätze auf größere Klassen von Strukturkomponenten ist bisher nicht untersucht worden.

In this thesis, micro computed tomography (μ−CT) scans of a bio-glass scaffold produced by the robocasting technique was used to create finite element method (FEM) models with the purpose of determining its mechanical strength. Prior to this, a Matlab script was used to create several simplified geometries of the scaffold in an effort to determine the importance of scaffold design parameters (such as the fiber compenetration between two adjacent printing planes) on the strength of the scaffold. Furthermore, to assess the influence of micro-structural defects such as voids and micro-cracks that are intrinsic to the robocasting manufacturing process, the total number of voids and their respective volume was calculated using the μ-CT scan imagery and fitted to a statistical distribution. The distribution of voids was then used to create several scaffold models in Matlab with either spherical or ellipsoidal voids present. In the final two models, one scaled-down and one scaled-up FEM based on μ-CT scans were investigated.To model the crack initiation, propagation and final failure, the phase-field method was used. The method was implemented by the use of a publicly available Fortran user subroutine and was edited to account for asymmetric tension/compression energy degradation. The resulting strength of the produced models have been presented as non-dimensional values. The finite element analysis (FEA) of the Matlab produced scaffolds showed that the fiber shifting between two adjacent layers, porosity, and voids of ellipsoidal shape that were perpendicular to the loading direction had the highest effect on the strength of the scaffold. The resulting normalized strength values obtained from the μ-CT models was partially validated through a comparison with the literature available.The different failure modes and overall architectural arrangement of cracks also showed promising results. / I den här uppsatsen så användes mikrotomografi (μ-CT) skanning av en bio-glas stödstruktur tillverkad av robocasting tekniken för att skapa finita element modeller med syftet att bestämma dess mekaniska styrka. Innan detta så användes ett Matlab-skript för att skapa flera förenklade geometrier av stödstrukturen i ett försök att fastställa betydelsen av viktiga designparametrar (som t.ex fiberpenetrering mellan två intilliggande plan) på stödstrukturens styrka. Vidare, för att bedöma påverkan av mikrostrukturella defekter som tomrum och mikrosprickor som är naturligt förekommande i robocasting-tillverkningsprocessen så uppmättes det totala antal hålrum och deras respektive volym med hjälp av μ-CT-skannade bilder. Denna data blev anpassad till en statistisk fördelning. Fördelningen av tomrum och mikcrosprickor användes sedan för att skapa flera modeller av stödstrukturerna i Matlab med antingen sfäriska eller ellipsoida hålrum närvarande. I de sista två modellerna undersöktes en en nedskalad och en uppskalad finita elementmodell baserad på μ-CT-skanning.För att modellera sprickinitiering, sprickpropagering och slutligen brott användes fasfältsmetoden. Fasfältsmetoden implementerades med hjälp av en för allmänheten tillgänglig Fortran användarrutin som redigerades för att ta hänsyn till en asymmetrisk energidegradering i drag-och tryck. Den resulterande styrkan hos alla modeller har presenterats som icke-dimensionella värden. Finita elementanalysen av Matlab modellerna visade att fiberskiftningen mellan två intilliggande plan, porositet och hålrum med ellipsoid form som var vinkelräta mot belastningsriktningen hade störst effekt på stödstrukturens styrka. De resulterande normaliserade styrkevärdena erhållna från μ-CTmodeller validerades delvis genom en jämförelse med tillgänglig litteratur. Dom olika felmoderna och övergripande strukturella fördelningen av sprickor visade också lovande resultat.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der grundlagenorientierten Untersuchung reibdauerbeanspruchter Stahl-Kontakte und deren Festigkeitsbewertung. Die Besonderheit bei der Bewertung reibdauerbeanspruchter Kontakte stellt die zusätzlich zur spannungsmechanischen Beanspruchung vorliegende tribologische Beanspruchung des Werkstoffes dar. Die ursächlich auf eine Anrissinitiierung in der Bauteiloberfläche zurückzuführende niedrigere Ermüdungsfestigkeit reibdauerbeanspruchter Bauteilverbindungen, zeigt sich in Abhängigkeit des Fugendrucks, des Schlupfes und des Werkstoffes. Basierend auf den genannten Einflussgrößen konnte in der vorliegenden Arbeit ein Berechnungsverfahren erarbeitet werden, welches eine betriebssichere Auslegung reibdauerbeanspruchter Fügeverbindungen ermöglicht. Das Verfahren basiert auf dem örtlichen Konzept der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ und implementiert den Schadenfall der Reibdauerermüdung durch einen Oberflächeneinflussfaktor, dem sogenannten Reibkorrosionsfaktor. Die tribologischen Beanspruchungsparameter Schlupf und Fugendruck werden dabei über eine Worst-Case-Betrachtung berücksichtigt. Durch eine von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes abhängige Darstellung des Reibkorrosionsfaktors, konnte darüber hinaus eine systemspezifische Berechnung der Ermüdungsfestigkeit erreicht werden. Die Validierung des Berechnungsverfahrens erfolgte an einer Pleuelverbindung. / The doctoral thesis investigates basically the fretting fatigue strength of steel contacts and their strength assessment. Especially the tribological loading conditions which are present at the contact surface cause a specific method of the strength assessment of joined contacts. In this context, the lower fatigue strength of component connections under tribological loading conditions, which is the result of crack nucleation at the component surface, depends on the contact pressure, the slip and the basic-material. Based on these parameters, a calculation method was developed in the present study which allows a reliable design of component connections under fretting conditions. This method is based on the local concept of the FKM-guideline 'Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile' and introduces the fretting fatigue failure mechanism by a surface factor, the so-called fretting factor. These fretting factors are calculated empirically and based on a worst-case approach of the tribological parameters slip and contact pressure. Furthermore it is possible to determine the fretting factor according to the tensile strength of the basic-material. As a result of this, it is possible to calculate the system-specific fretting fatigue strength of joined steel-components. The improved calculation accuracy of the strength assessment was validated on connecting rods.

Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.