XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó
Koponya- és agysérülések biomechanikai vizsgálata ANSYS szoftverrel Hazay Máté Tudományos segédmunkatárs BME, Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék Témavezető: Dr. Bojtár Imre, egyetemi tanár XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
1/16
1
TARTALOM
Bevezetés Agysérülések biomechanikája, korábbi és jelenlegi kutatási irányzatok.
2
Végeselemes modell
3
Megbízhatósági analízis
4
Példa
Modell bemutatása, importálása és használata ANSYS környezetben.
Végeselemes modellezés, output változók alkalmazása.
Egyszerű példa a megbízhatósági analízis keretrendszerének illusztrálására.
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
2/16
BEVEZETÉS XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
3/16
Az agysérülések biomechanikája, korábbi vizsgálatok tanulsága Cél: Az orvosi és mérnöki tudás felhasználásával a sérülések megelőzése. Alkalmazott módszertan: 1. A különféle károsodási mechanizmusok azonosítása és leírása, 2. 3. 4.
az embert érő mechanikai hatások meghatározása, toleranciaértékek (küszöbértékek) felvétele, a biztonság meghatározása.
Head Injury Criteria (HIC) : ez a skála a lineáris gyorsulások időszerinti integrálját veszi figyelembe. 1972-ben adaptálta a Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS) és azóta is világszerte ezt használják az autók tervezésekor!
[2] HIC kritikája: a megfigyelések és az előrejelzések között csak kicsi korreláció látható. XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
[1] 4/16
Jelenlegi kutatási irányzatok – output változók vizsgálata: Kleiven: 58 NFL sérülés alapján megvizsgálta, hogy milyen függő (output) változók használatával célszerű kritériumot definiálni.
[3]
Post: hosszan tartó tünetekkel járó agyrázkódás vizsgálata rekonstruálással.
[4]
Ez egy törékenységi görbe, bár itt kizárólag a mediánérték meghatározására szolgál.
• Determinisztikus értékelési mód elvetése, • a számításokat valószínűségelméleti alapon kell elvégezni!
[3] XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
5/16
Horgan & Gilchrist [5-6]: University College Dublin Brain Trauma Model (UCDBTM)
VÉGESELEMES MODELL XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
6/16
Végeselemes modellezés Nagyagy
Koponyacsont (testelemek)
Nagyagy (testelemek)
Agyvíz (testelemek SOLID185)
[7]
Agytörzs (testelemek)
Kisagy (testelemek)
Agyvíz modellezése:
Agyszövetek modellezése:
Nagyon magas térfogati modulussal, nagyon alacsony nyírási modulussal.
Nemlineáris viszkoelasztikus anyagmodellel (nagy alakváltozások figyelembevételével).
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
7/16
Végeselemes modellezés Skalp (héjelemek)
Dura (héjelemek)
[8]
Összesen: 26327 db elem.
Pia (héjelemek SHELL181)
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
8/16
Fájlok importálása és használata MSC Patran fájl importálása Workbench-be:
Inputfájl kinyerése Workbench-ből:
APDL fájl importálása Workbench-be:
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
9/16
MEGBÍZHATÓSÁGI ANALÍZIS XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
10/16
Javaslat: output változók vizsgálata teljes valószínűségi módszerrel Bizonytalanságok figyelembevétele: valószínűségi változók alkalmazásával! Tönkremenetel definiálása: határállapot-függvényekkel! Tönkremenetel definiálása
Cél: HIC skála output változókkal és
Valószínűségi változók definiálása
valószínűségelméleti módszerrel történő felülvizsgálata.
FORM módszer: [9]
Sérülékenységi görbe (feltételes tönkremeneteli valószínűség): Meghatározása megbízhatósági analízissel. XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
11/16
Változó
Jelölés
Várható érték
Relatív szórás
Eloszlás
Rugalmassági modulus
E
210 GPa
0,2
Lognormális
Erő
F
100 MN
0,2
Normális
Megengedett megnyúlás
UR
60 mm
0,2
Lognormális
ILLUSZTRÁLÓ PÉLDA
Határállapot-függvény: g = UR-UYmax
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
12/16
Megbízhatósági analízis végrehajtása Valószínűségi változók adott realizációjának betöltése input fájlba: fid=fopen('sajatrudAPDL20parainput.mac','w'); fprintf(fid,'sajatrudAPDL20input,%8.3f',E); fprintf(fid,',%8.3f',F); Változók adott realizációi
[0.]: Iteráció kezdőpontjának választása X – valószínűségi változók adott észlelései
sajatrudAPDL20input,ARG1,ARG2
E=ARG1 MP,EX,1,E, MP,NUXY,1,0.3,
ANSYS meghívása és input fájl lefuttatása MATLABBÓL: !"C:\Program Files\ANSYS Inc\v150\ANSYS\bin\winx64\ANSYS150.exe" -b i sajatrudAPDL20parainput.mac -o rudoutput.txt
[1.]: Mechanikai modell:
Újabb iterációs lépés:
feszültségek és alakváltozások meghatározása.
[2.]: Megbízhatósági modell: Kísérlet kiértékelése β és PF meghatározása.
Határállapot fv. kiértékelése: g = UR-UYmax
Eredmény kinyerése output fájlba: load sajatout.txt UYmax=max(sajatout(:,2))
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
13/16
Megbízhatósági analízis keretrendszerének illusztrálása
A tönkremeneteli valószínűség: PF 0,5741 0, 283
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
14/16
Hivatkozások 1.
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Prasad, P. & Mertz, H. (1985). The Position of the United States Delegation to the ISO Working Group 6 on the Use fo HIC in the Automotive Environment. SAE Government/Industry Meeting and Exposition, SAE paper no. 851246. Prasad, P. (2015). Injury Criteria and Motor Vehicle Regulations: Yoganandan, N.: Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. Kleiven, S., (2007). Predictors for traumatic brain injuries evaluated through accident reconstruction. Stapp Car Crash Journal 51, 81-114. Post, A., Kendall, M., Koncan, D., Cournoyer, J., Hoshizaki, T.B., Gilchrist, M.D., Brien, S., Cusimano, M.D. & Marshall, S. (2015). Journal of the Biomechanical Behavior of Biomedical Materials 41, 325-335. Horgan, T.J. & Gilchrist, M.D. (2003). The creation of three-dimensional finite element models for simulating head impact biomechanics. IJCrash 8(4), 353-366. Horgan, T.J. & Gilchrist, M.D. (2004). Influence of FE model variability in predicting brain motion and intracranial pressure changes in head impact simulations. IJCrash 9(4), 401-418. http://medgraphik.com/portfolio-item/head-sagittal-view/ http://antranik.org/protection-for-the-brain-meninges-csf-blood-brain-barrier/ Mertz, H.J. & Irwin, A.L. (2015). Anthropoorphic Test Devices and Injury Risk Assessments. In the book: Yoganandan, N.: Accidental Injury: Biomechanics and Prevention.
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
15/16
Köszönöm a figyelmet!
XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó, LURDY Konferencia- és Rendezvényközpont, 2016. április 21.
16/16
