informe técnico 6.2 simulación de ensamblaje...

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.


Brizeida Nohemí Gámez Aparicio 20-01-2015

Analizado con SolidWorks Simulation Simulación: Ensamblaje de mano 2

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




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




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




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


Fuerza de reacción(N) 0 -8.87862 5.94663 10.6861


0 0 0 0








Fuerza de reacción(N) 0 7.70149 -2.11174 7.98576


0 0 0 0




Rodillo deslizante en la falange distal de cada dedo


Fuerza de reacción(N) 0 -14.8123 -13.5147 20.0512


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-3

Entidades: 2 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal

Valor: 75 N


Fuerza-4

Entidades: 1 cara(s) Referencia: Cara< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza Valores: ---, -75, --- N


Fuerza-5

Referencia: Cara< 1 > Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, 75, --- N





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




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




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




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





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




Figura 6. Detalles de la ubicación del máximo desplazamiento localizado en la falange proximal del dedo medio





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




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.

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