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Nonlinear mechanics of bioinspired tensegrity systems

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Mendes, Alex Neves Brandão
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Brasil
Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
UFRJ
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://hdl.handle.net/11422/25836
Resumo: Tensegrity comes from the concept that the structure relies in the interaction between tension and compression, opposing forces to maintain the structure integrity. Essentially, tensegrity structures are composed by bars (struts) and strings (cables), where the bars work under compression whereas the strings work under tension. Biological systems present several characteristics of tensegrity structures such as the legs of animals where the bars represent the bones and the strings represent the tendons or ligaments. This work deals with the nonlinear mechanics of bioinspired tensegrity structures. A formulation considering the force density matrix approach is used to model the equilibrium equations of the structure based on node mapping. Lagrange multipliers are employed to represent constraints related to ground interaction. Equilibrium configurations are defined from an optimization procedure employing the LevenbergMarquardt method. A minimal regular tensegrity prism is investigated. The model is verified establishing comparisons among analytical results, experimental data and numerical simulations. The softening and hardening behaviors are investigated in order to highlight the tensegrity properties. An investigation of the tensegrity capability to represent a human foot is carried out, analyzing three main aspects: weight distribution, geometry and physiology. Shape memory alloy (SMA) is employed to provide foot actuation and its thermomechanical behavior is described by considering a polynomial constitutive model. The tensegrity prosthesis performance is compared with high performance prosthesis, showing that it is an interesting alternative with respect to mechanical resistance. Regarding physiology, the foot movements are mimicked from SMA actuation through electric current.Também disponível online.
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Lagrange multipliers are employed to represent constraints related to ground interaction. Equilibrium configurations are defined from an optimization procedure employing the LevenbergMarquardt method. A minimal regular tensegrity prism is investigated. The model is verified establishing comparisons among analytical results, experimental data and numerical simulations. The softening and hardening behaviors are investigated in order to highlight the tensegrity properties. An investigation of the tensegrity capability to represent a human foot is carried out, analyzing three main aspects: weight distribution, geometry and physiology. Shape memory alloy (SMA) is employed to provide foot actuation and its thermomechanical behavior is described by considering a polynomial constitutive model. The tensegrity prosthesis performance is compared with high performance prosthesis, showing that it is an interesting alternative with respect to mechanical resistance. Regarding physiology, the foot movements are mimicked from SMA actuation through electric current.Também disponível online.Tensegridade vem do conceito de que a estrutura depende da interação entre tração e compressão, forças opostas para manter a integridade da estrutura. Essencialmente, as estruturas de tensegridade são compostas por barras e cordas (cabos), onde as barras trabalham sob compressão enquanto as cordas trabalham sob tração. Os sistemas biológicos apresentam várias características de estruturas de tensegridade, como as pernas de animais, onde as barras representam os ossos e os cabos representam os tendões ou ligamentos. Este trabalho trata da mecânica não linear de estruturas de tensegridade bioinspiradas. Uma formulação considerando a abordagem da matriz de densidade de força é usada para modelar as equações de equilíbrio da estrutura com base no mapeamento de nós. Os multiplicadores de Lagrange são empregados para representar as restrições relacionadas à interação do solo. As configurações de equilíbrio são definidas a partir de um procedimento de otimização empregando o método LevenbergMarquardt. Um prisma de tensegridade regular mínima é investigado. O modelo é verificado estabelecendo comparações entre resultados analíticos, dados experimentais e simulações numéricas. É realizada uma investigação da capacidade de tensegridade de representar um pé humano, analisando três aspectos principais: distribuição de peso, geometria e fisiologia. A liga com memória de forma (SMA) é empregada para fornecer acionamento do pé e seu comportamento termomecânico é descrito considerando um modelo constitutivo polinomial. O desempenho de uma prótese de tensegridade é comparado ao de uma prótese de alto desempenho, mostrando que é uma alternativa interessante no que diz respeito à resistência mecânica. Em relação à fisiologia, os movimentos dos pés são mimetizados a partir da atuação da SMA por meio de corrente elétrica.Universidade Federal do Rio de JaneiroBrasilInstituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de EngenhariaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFRJSavi, Marcelo Amorimhttp://lattes.cnpq.br/1224532648969159http://lattes.cnpq.br/2473915451094583Ritto, Thiago Gamboahttp://lattes.cnpq.br/8907423644221097Paiva, Albertohttp://lattes.cnpq.br/0133087320555394Aguiar, Ricardo Alexandre Amarhttp://lattes.cnpq.br/1064024354986457Mendes, Alex Neves Brandão2025-05-15T12:26:11Z2025-05-17T03:00:10Z2021-12info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisMENDES, Alex Neves Brandão. Nonlinear mechanics of bioinspired tensegrity systems. 2021. 101 f. Dissertação (Mestrado) - Programa de Engenharia Mecânica, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.http://hdl.handle.net/11422/25836porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRJinstname:Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)instacron:UFRJ2025-05-17T03:00:11Zoai:pantheon.ufrj.br:11422/25836Repositório InstitucionalPUBhttp://www.pantheon.ufrj.br/oai/requestpantheon@sibi.ufrj.bropendoar:2025-05-17T03:00:11Repositório Institucional da UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)false
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