XV. econ Konferencia ANSYS Felhasználói Találkozó. Koponya- és agysérülések biomechanikai vizsgálata ANSYS szoftverrel. Hazay Máté

Átírás

1 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 1/16

2 1 Bevezetés Agysérülések biomechanikája, korábbi és jelenlegi kutatási irányzatok. 2 Végeselemes modell Modell bemutatása, importálása és használata ANSYS környezetben. TARTALOM 3 Megbízhatósági analízis Végeselemes modellezés, output változók alkalmazása. 4 Példa Egyszerű példa a megbízhatósági analízis keretrendszerének illusztrálására. 2/16

3 BEVEZETÉS 3/16

4 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. az embert érő mechanikai hatások meghatározása, 3. toleranciaértékek (küszöbértékek) felvétele, 4. a biztonság meghatározása. Head Injury Criteria (HIC) : ez a skála a lineáris gyorsulások időszerinti integrálját veszi figyelembe 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. [1] 4/16

5 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. [3] Determinisztikus értékelési mód elvetése, a számításokat valószínűségelméleti alapon kell elvégezni! 5/16

6 Horgan & Gilchrist [5-6]: University College Dublin Brain Trauma Model (UCDBTM) VÉGESELEMES MODELL 6/16

7 Végeselemes modellezés [7] Nagyagy Koponyacsont (testelemek) Agyvíz (testelemek SOLID185) Nagyagy (testelemek) Agytörzs (testelemek) Agyvíz modellezése: Nagyon magas térfogati modulussal, nagyon alacsony nyírási modulussal. Kisagy (testelemek) Agyszövetek modellezése: Nemlineáris viszkoelasztikus anyagmodellel (nagy alakváltozások figyelembevételével). 7/16

8 Végeselemes modellezés Skalp (héjelemek) [8] Dura (héjelemek) Összesen: db elem. Pia (héjelemek SHELL181) 8/16

9 Fájlok importálása és használata MSC Patran fájl importálása Workbench-be: Inputfájl kinyerése Workbench-ből: APDL fájl importálása Workbench-be: 9/16

10 MEGBÍZHATÓSÁGI ANALÍZIS 10/16

11 Javaslat: output változók vizsgálata teljes valószínűségi módszerrel Bizonytalanságok figyelembevétele: valószínűségi változók alkalmazásával! Tönkremenetel definiálása: határállapot-függvényekkel! Cél: HIC skála output változókkal és valószínűségelméleti módszerrel történő felülvizsgálata. Tönkremenetel definiálása Valószínűségi változók definiálása FORM módszer: [9] Sérülékenységi görbe (feltételes tönkremeneteli valószínűség): Meghatározása megbízhatósági analízissel. 11/16

12 Változó Jelölés Várható érték Relatív szórás Eloszlás Rugalmassági modulus E 210 GPa 0,2 Lognormális Erő F 100 MN 0,2 Normális Megengedett megnyúlás ILLUSZTRÁLÓ PÉLDA UR 60 mm 0,2 Lognormális Határállapot-függvény: g = UR-UYmax 12/16

13 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); sajatrudapdl20input,arg1,arg2 E=ARG1 MP,EX,1,E, MP,NUXY,1,0.3, Változók adott realizációi [0.]: Iteráció kezdőpontjának választása X valószínűségi változók adott észlelései Újabb iterációs lépés: 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: 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)) 13/16

14 Megbízhatósági analízis keretrendszerének illusztrálása A tönkremeneteli valószínűség: P F 0,5741 0, /16

15 Hivatkozások 1. 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 Prasad, P. (2015). Injury Criteria and Motor Vehicle Regulations: Yoganandan, N.: Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. 3. Kleiven, S., (2007). Predictors for traumatic brain injuries evaluated through accident reconstruction. Stapp Car Crash Journal 51, 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, Horgan, T.J. & Gilchrist, M.D. (2003). The creation of three-dimensional finite element models for simulating head impact biomechanics. IJCrash 8(4), 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), Mertz, H.J. & Irwin, A.L. (2015). Anthropoorphic Test Devices and Injury Risk Assessments. In the book: Yoganandan, N.: Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. 15/16

16 Köszönöm a figyelmet! 16/16