UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica
Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de Ensamblaje mano 1
Informe técnico 6.2 Simulación de ensamblaje mano Fecha: martes, 20 de enero de 2015 Diseñador: Brizeida Nohemí Gámez Aparicio Nombre de estudio: Análisis de esfuerzos, desplazamientos y factor de seguridad para prótesis de mano derecha Tipo de análisis: Análisis estático
Tabla de Contenido Descripción ........................................... 1
Suposiciones .......................................... 2
Información de modelo ............................. 2
Propiedades del estudio ............................ 3
Unidades .............................................. 4
Propiedades de material ........................... 4
Cargas y sujeciones.................................. 5
Información de contacto ........................... 8
Información de malla ............................... 8
Fuerzas resultantes.................................. 9
Resultados del estudio ........................... 100
Esfuerzos ........................................... 100
Desplazamientos .................................. 102
Factor de seguridad .............................. 104
Conclusiones ........................................ 15
Descripción
Se presenta el análisis de esfuerzos y desplazamientos para
la prótesis de mano derecha. Para ello se ha asignado el
material a cada uno de los componentes del modelo
propuesto, así como las condiciones de contorno
correspondientes, a manera de obtener el factor de
seguridad del sistema.
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Suposiciones
Se supone restricción de movimiento de la palma de la mano (geometría fija) y
condición de deslizamiento en el extremo de cada dedo (falange distal) con la mano
en situación prensión cilíndrica, simulando el apriete de un objeto. Las cargas que
actúan sobre la prótesis se ubican en los actuadores lineales, por lo que se estima la
carga máxima que es capaz de generar cada motor, colocando un actuador por dedo
(estado crítico). En la figura 1 se muestran las condiciones de contorno del modelo.
Información de modelo
Figura 1. Condiciones de contorno para la prótesis de mano
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Propiedades del estudio Nombre de estudio Análisis de esfuerzos y desplazamientos
Tipo de análisis Análisis estático
Tipo de malla Malla sólida
Tipo de solver Direct sparse solver
Opciones de unión rígida incompatibles Automática
Gran desplazamiento Desactivar
Calcular fuerzas de cuerpo libre Activar
Unidades Sistema de unidades: Métrico (MKS)
Longitud/Desplazamiento mm
Velocidad angular Rad/seg
Presión/Tensión N/m^2
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Propiedades de material
Referencia de modelo Propiedades Componentes
Nombre: ABS Tipo de modelo: Isotrópico elástico
lineal Criterio de error predeterminado:
Desconocido
Límite de tracción: 3e+007 N/m^2 Módulo elástico: 2e+009 N/m^2
Coeficiente de Poisson:
0.394
Densidad: 1020 kg/m^3 Módulo cortante: 3.189e+008 N/m^2
Palma de la mano Falanges proximales Falanges medias y distales
Nombre: Acero aleado Tipo de modelo: Isotrópico elástico
lineal Criterio de error predeterminado:
Tensión máxima de von Mises
Límite elástico: 6.20422e+008 N/m^2 Límite de tracción: 7.23826e+008 N/m^2
Módulo elástico: 2.1e+011 N/m^2 Coeficiente de
Poisson: 0.28
Densidad: 7700 kg/m^3 Módulo cortante: 7.9e+010 N/m^2
Coeficiente de dilatación térmica:
1.3e-005 /Kelvin
Pasadores
Datos de curva:N/A
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Cargas y sujeciones
Nombre de sujeción
Imagen de sujeción Detalles de sujeción
Fijo-1
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Geometría fija
Cara inferior de la palma de la mano
Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N) -8.9407e-007 15.8107 7.75321 17.6094
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Sobre caras cilíndricas-1
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Sobre caras cilíndricas
Traslación: 0, ---, --- Unidades: mm
Rodillo deslizante en la falange distal de cada dedo
Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N) 0 -8.87862 5.94663 10.6861
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Sobre caras cilíndricas-2
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Sobre caras cilíndricas
Traslación: 0, ---, --- Unidades: mm
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Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N) 0 7.70149 -2.11174 7.98576
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Sobre caras cilíndricas-3
Entidades: 3 cara(s) Tipo: Sobre caras cilíndricas
Traslación: 0, ---, --- Unidades: mm
Rodillo deslizante en la falange distal de cada dedo
Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N) 0 -14.8123 -13.5147 20.0512
Momento de reacción(N.m)
0 0 0 0
Nombre de carga
Cargar imagen Detalles de carga
Fuerza-1
Referencia: Cara< 1 > Tipo: Aplicar fuerza
Valores: ---, 75, --- N
Fuerza ejercida por el actuador lineal
Fuerza-2
Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal
Valor: 75 N
Fuerza ejercida por el actuador lineal
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Fuerza-3
Entidades: 2 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal
Valor: 75 N
Fuerza ejercida por el actuador lineal
Fuerza-4
Entidades: 1 cara(s) Referencia: Cara< 1 >
Tipo: Aplicar fuerza Valores: ---, -75, --- N
Fuerza ejercida por el actuador lineal
Fuerza-5
Referencia: Cara< 1 > Tipo: Aplicar fuerza
Valores: ---, 75, --- N
Fuerza ejercida por el actuador lineal
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Información de contacto
Contacto Imagen del contacto Propiedades del contacto
Contacto global
Tipo: GAP nodo-a-nodo
Componentes: 1 componente(s)
Información de malla: En la figura 2 se observa el conjunto mallado adaptándose a las curvarturas correspondientes y aumentando la discretización en los elementos más críticos. Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla basada en curvatura
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño máximo de elemento 9.63305 mm
Número de elementos 36974
Número de nodos 69877
Tamaño mínimo del elemento 1.92661 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
Figura 2. Detalles de la malla para la prótesis de mano
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Fuerzas resultantes
Fuerzas de reacción Conjunto de selecciones
Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante
Todo el modelo N -8.9407e-007 -0.178758 -1.92658 1.93485
Momentos de reacción Conjunto de selecciones
Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante
Todo el modelo N.m 0 0 0 0
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Resultados del estudio
Nombre Tipo Mín. Máx.
Tensiones1 En las figuras 3 y 4 se observa la distribución de tensiones de Von Mises para la prótesis de mano.
VON: Tensión de von Mises 0.001004 N/mm^2 (MPa) Nodo: 48680
193.988 N/mm^2 (MPa) Nodo: 67211
Figura 3. Distribución de esfuerzos de Von Mises (MPa) y localización del esfuerzo máximo
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Figura 4. Detalles de la ubicación del máximo esfuerzo de Von Mises localizado en el pasador que conecta el dedo pulgar al correspondiente actuador lineal
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Nombre Tipo Mín. Máx.
Desplazamientos1 En las figuras 5 y 6 se observa la distribución de desplazamientos para la prótesis de mano.
URES: Desplazamiento resultante 0 mm Nodo: 48528
0.892749 mm Nodo: 213
Figura 5. Distribución de desplazamientos (mm) y su localización en la prótesis de mano
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Figura 6. Detalles de la ubicación del máximo desplazamiento localizado en la falange proximal del dedo medio
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Nombre Tipo Mín. Máx.
Factor de seguridad1 En las figuras 7 y 8 se observa la distribución del factor de seguridad para la prótesis de mano.
Automático 3.19824 Nodo: 67211
1000 Nodo: 42559
Figura 7. Factor de seguridad para el modelo de prótesis de mano
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Figura 8. Detalles de la ubicación de la zona crítica de la prótesis de la cual se obtiene el factor de seguridad
Conclusiones Se plantean las condiciones de contorno para el modelo de prótesis de mano derecha. Para ello se han
establecido situaciones críticas de operación partiendo de la suposición de la existencia de cinco motores
aplicando sus máximas cargas (75N) y restringiendo el movimiento de la palma de la mano.
Se ha asignado el material a cada componente de la prótesis, estableciendo para la palma, falanges y barras
de mecanismo un Polímero ABS, mientras que para los pasadores se fija un acero aleado, todo esto aporta
un peso de 73,11 gramos. Adicionalmente, se considera que el peso de lo actuadores es de 45 gramos en
total (según catálogo del fabricante). Lo anterior implica que se está trabajando con un modelo de 118,11
gramos lo cual favorece las restricciones de diseño establecidas.
En el análisis de tensiones y desplazamientos, llevado a cabo en base a la aplicación de cargas críticas de
operación, se ha obtenido un esfuerzo máximo de Von Mises (194 MPa) localizado en el pasador que articula
el dedo pulgar con el motor; sin embargo para esta condición el dispositivo protésico funcionaría sin
problema de acuerdo a resultado analítico del factor de seguridad de 3,20. Por otra parte el máximo
desplazamiento que curre en el modelo es menor a 1 mm, pr lo cual no se considera significativo.