多场耦合 | CAE告诉你“脑子进水”是什么感觉_非线性_多孔介质_材料

多场耦合 | CAE告诉你“脑子进水”是什么感觉

纵横CAE

2月前浏览899

这是“外星人”马斯克的大脑

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这是“天才少年”小编的大脑

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没错！小编“脑子进水”了！

真的会有“脑子进水”吗？医生朋友给出了肯定的回答。“脑子进水”是脑脊液阻塞形成的脑积水，严重时可将脑组织压扁，将脑壳撑得像气球，导致脑功能受损，出现头疼、恶心、痴呆、失禁、行走障碍等症状。

吓的小编赶紧晃了晃进水的大脑，趁着症状较轻意识还算清醒，采用空隙压力-热力耦合单元，多孔介质有限元仿真技术模拟“脑子进水”导致头部扩张的过程，以期告知可爱的小伙伴们“脑子进水”是什么感觉。

模型建立

通过计算机断层扫描（CT）获得大脑断层的轴向截面，基于MRI图像重建脑子三维模型。采用平面应变假设，遵循点->线->面->网格，建立脑脊髓流体动力学有限元模型。

采用能够利用非局域场的CPT212单元，模拟结构-孔隙-流体-扩散-热分析，以及结构隐式梯度正则化等多场耦合物理现象。命令流如下：

et,1,212keyopt,1,3,2keyopt,1,12,1keyopt,1,11,1

材料设置

合理的材料特性对于获得良好的模拟结果至关重要，特别是多孔介质和热特性。采用新胡克超弹性材料本构模型，指定各向同性脑渗透性，通过超弹性材料的耦合单元来求解位移、孔隙压力和温度。

(1) 定义Neo-Hookean超弹性，命令流如下：

tb,hyper,1,,,NEOtbdata,1,3000,0.005fpx=4.8e-8

(2) 指定各向同性脑渗透性，命令流如下：

tb,pm,1,,,permtbdata,1,f

(3) 为大脑分配1.0的Biot系数，命令流如下：

tb,pm,1,,,biottbdata,1,1.0

(4) 考虑热效应，命令流如下：

mp,alpx,1,4.14e-5mp,reft,1,0mp, dens , 1, 900tb, therm, 1,,, condtbdata,1,500tb, therm, 1,,, sphttbdata,1,3000

边界条件

对于横截面的外表面，X和Y向施加固定约束。对于横截面的内表面，施加39°C温度边界和166.61Pa的压力载荷。孔隙压力为零，人体初始温度为37°C。命令流如下：

DL,ALL,,UX,0DL,ALL,,UY,0DL,ALL,,Pres,0d,all,temp,37.0SFL,ALL,PRES,166.61d,all,temp,39.0

分析设置

采用适用于含结构和流体孔隙压力的SOIL分析类型。由于使用了超弹性材料，因此开启大变形。在组合结构-热载荷作用下，使用耦合孔隙压力热单元对正常压力脑积水进行非线性分析。命令流如下：

antyp,soilkbc,1eqslv,sparse  ！稀疏矩阵求解器nlgeom,on     ！打开非线性rate,on                       outres,all,all time,1nsubst,50,100000,10solvefini

计算结果

压力扩张导致变形结果，如下图所示。最大变形集中在心室周围。

压力扩张导致应力结果，如下图所示。最大应力发生在脑室上下尖端处。

写在最后：“脑子进水”虽然是一种脑部疾病，但是可以通过外科手术将多余的脑脊液引流出来治愈。大脑有很强可塑性，即使被严重挤压变形，也会慢慢恢复原状，不会留下后遗症。

参考资料：

[1] 公号：芷行说. “脑子进水”怎么用有限元分析.

[2] 知乎：龙飞宇. 案例50-用超弹性材料分析法向压力脑积水.

[3] Shahim, K., Drezet, J.-M., Molinari, J.-F., etc. Finite element analysis of normal pressure hydrocephalus: Influence of CSF content and anisotropy in permeability. Applied Bionics and Biomechanics. 2010, 7.3:187-197.

[4] ANSYS2020官方示例清单. Normal-Pressure Hydrocephalus Analysis Using Hyperelastic Material.

来源：纵横CAE

干货 | ANSYS Workbench多体接触热分析

在多体接触系统中，由于表面粗糙度影响，两个互相接触的固体表面之间常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，这个阻力称为接触热阻。热阻类似于电阻，它是热量在传递时遇到的阻力，单位为K/W。显然热阻越大，物体的导热能力就越差，这和导热系数正好相反。在多个材料组成的系统中，接触热阻定义为界面处的温差与流过该界面的热量之比。前期文章系统讲解了ANSYS Workbench非线性热分析、热辐射分析、热应力分析。本文将介绍ANSYS Workbench多体接触热分析，其分析步骤与其它热分析基本一致，只是需要注意设置界面接触热阻。ANSYS Workbench稳态热分析项目流程图界面接触热阻的大小，以及接触热阻的设置，在多体系统热分析中至关重要。根据实际界面接触情况，通常采取以下两种手段处理接触热阻。1) 忽略接触热阻对于界面光滑平整、完全接触、充分焊接、不关注界面等，忽略接触热阻。双击Geometry进入DM界面，选中所有零件右击选择Form New Part，形成一个多体零件，从而不设置零件接触关系，忽略零件之间的接触热阻。2) 考虑接触热阻对于界面粗糙、接触不良、存在间隙、很关注界面等，需要设置零件之间的接触关系和接触热阻。接触热阻与接触热导率成倒数关系，其在Workbench中的设置方法如下所述：点击接触对Contact，下方面板中设置Advanced的Thermal Conductance为手动Manual，并设置其值大小。当然，也可以不进行设置，保持默认Program Controlled，由程序自行控制接触热导率的值。常见界面接触热阻如上述两表所示，实际设置时最好通过试验获得，或取界面材料导热系数的平均值，然后再根据接触情况打一折扣。也可以通过仿真不同接触热阻时温度分布情况，并与实际温度进行比对分析，从而确定接触热阻。来源：纵横CAE