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
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
BEVEZETÉS 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. 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. 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. [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. [3] Determinisztikus értékelési mód elvetése, a számításokat valószínűségelméleti alapon kell elvégezni! 5/16
Horgan & Gilchrist [5-6]: University College Dublin Brain Trauma Model (UCDBTM) VÉGESELEMES MODELL 6/16
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
Végeselemes modellezés Skalp (héjelemek) [8] Dura (héjelemek) Összesen: 26327 db elem. Pia (héjelemek SHELL181) 8/16
Fájlok importálása és használata MSC Patran fájl importálása Workbench-be: Inputfájl kinyerése Workbench-ből: APDL fájl importálása Workbench-be: 9/16
MEGBÍZHATÓSÁGI ANALÍZIS 10/16
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
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
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
Megbízhatósági analízis keretrendszerének illusztrálása A tönkremeneteli valószínűség: P F 0,5741 0, 283 14/16
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. 851246. 2. 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, 81-114. 4. 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. 5. 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. 6. 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. 7. http://medgraphik.com/portfolio-item/head-sagittal-view/ 8. http://antranik.org/protection-for-the-brain-meninges-csf-blood-brain-barrier/ 9. 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
Köszönöm a figyelmet! 16/16