Estudo da representação numérica do comportamento mecânico de músculos esqueléticos sujeitos à combinação de diferentes tipos de contrações

Abstract

Esta dissertação apresenta um estudo da caracterização numérica do comportamento mecânico de um músculo esquelético estriado sujeito à combinação de diferentes contrações. A partir dos mecânismos fisiológicos da contração do tecido muscular esquelético, são apresentadas as principais características da produção de força do músculo em diferentes tipos de contrações (isométrica, concêntrica, excêntrica) e suas combinações. A representação numérica da resposta mecânica do músculo esquelético foi investigada por diferentes autores. Dos diversos modelos encontrados na literatura, alguns foram escolhidos para a continuidade deste estudo, segundo sua capacidade representativa e facilidade de implementação em métodos numéricos de solução para grandes deformações. Os modelos disponíveis na literatura foram implementados e avaliados para diferentes sequências de contrações, sendo também realizado um ajuste de parâmetros para dados experimentais de contrações isométricas e isométricas-excêntricas-isométricas. Nenhuma das propostas avaliadas apresentou resultados satisfatórios. A principal deficiência dos modelos foi a incapacidade de reproduzir a dependência do histórico de carregamentos, ou seja, da combinação de contrações. Desta maneira, uma nova proposta de modelo constitutivo foi desenvolvida e implementada para testes uniaxiais e em um código de elementos finitos para testes tridimensionais. A partir destas implementações, foram executados testes numéricos para diferentes sequências de contrações, avaliando a capacidade representativa do modelo proposto neste trabalho. O modelo proposto apresentou bons resultados para contrações isométricas e a combinação de contrações com diferentes níveis de alongamento, ou encurtamento, a uma mesma velocidade. A principal contribuição deste modelo é a capacidade de representar a resposta associada à fadiga muscular e o ganho, ou perda de força, observados experimentalmente.

This work present a striated skeletal muscle numerical characterization subjected to different contractions. From the physiological contraction mechanism of the skeletal muscle tissue the force produced in different kinds of contraction (isometric, concentric and eccentric), and their combination, are presented. The numerical representation of these response was investigated by different authors. From the diverse models found in literature, some were selected to be studied according to their representation capability and the implementation ease in numerical methods for large strains. The models available in literature were implemented and evaluated for different contractions combinations and a parameter identification for experimental results of two isometric contraction and a isometric-eccentric-isometric contraction. None of the proposed models presented satisfactory results. The main deficiency of these models were the incapability of reproducing the loading history dependence, in other words, the contraction combination. In this way, a new material model was proposed and implemented to uniaxial and tridimensional finite element method tests. From these, different contractions sequences evaluated the proposed model representation capabilities. The proposed model present good results to isometric contraction, as well as contraction combination with different stretch, or shortening, level in the same speed. The main contribution of this model is the capability of represent the the response associated to the muscle fatigue and the force gain or loss, experimentally observed.