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计算力学与生命科学的交叉研究——面向疾病治疗的前沿研究

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文一:

 

骨重建过程评估在牙种植体生物力学有限元稳定性评估中的作用

摘要:

背景和目的:虽然准确评估种植体的生物力学稳定性对于义齿计划和相关治疗保证至关重要,但在使用有限元分析的生物力学研究中,骨重建过程往往被忽视。在本研究中,我们旨在分析有限元分析中评估骨重塑过程对评估种植牙生物力学稳定性的意义。我们将考虑骨重塑过程的有限元结果与使用常用条件模拟的有限元计算结果进行了比较,而没有考虑骨重构过程。

方法:使用Komarova等人提出的数学模型计算离散位点的细胞群动力学和骨密度变化。该模型在有限元软件ABAQUS中使用UMAT子程序实现。为两种类型的骨骼(III和IV)和三种植入物直径值(4.0、4.5和5.0mm)构建了三维有限元模型。在150天的骨重建过程中,在垂直方向上施加50N的平均咬合力。然后,在30°倾斜方向上施加200 N的最大咬合力,以评估植入物系统的稳定性。

结果:为了了解骨重建对由此产生的力学反应的影响,我们基于两个参数对种植体周围松质骨进行了研究:表观密度变化和微应变分布。植入后骨密度平均下降5.3%,第6天最低。种植体周围松质骨的平均密度在150天内分别增加了264.4 kg/m3(III型骨)和220.0 kg/m3。对于骨稳定性分析,使用种植体周围骨的最大主应变来评估骨稳定性。如果忽略骨重塑过程,那么微应变疲劳失效范围内的骨体积与考虑骨重塑过程时的骨体积显著不同,即,与考虑骨重构过程时相比,III型骨体积高60%,IV型骨体积低33.4%。

结论:不考虑骨重塑过程的有限元结果可以被认为是III型骨的一个保守标准。然而,在IV型骨中,不考虑骨重建过程的有限元素结果往往低估了风险。骨重建过程受初始骨质量的影响大于植入物直径的影响。

 

图:牙科植入系统中基本多细胞单元(BMU)内的骨重塑过程示意图。

 

图:三维有限元模型;(a) 完整的种植体模型和种植体周围骨骼附近的骨骼圆柱形部分;(b) 三种情况下种植体和骨圆柱部分的尺寸;每个系统使用长度为L、直径为D的植入物;(c) 具有体积网格的有限元模型。

 

图:网格分辨率超应变范围内体积(> 3000με) ; 网格收敛试验结果。

 

图:根据阶跃过程的边界条件和加载条件;(a) 无骨重塑过程的有限元分析;(b) 骨重建过程的有限元分析;(c) 螺钉预加载、骨重建步骤的平均咬合力、咀嚼步骤的最大咬合力以及下颌骨块段中远中平面的边界条件。

 

图:(a) 平均密度变化;(b) 松质骨的平均密度随时间的变化率。

 

图:骨重建过程中的力学性能结果;(a) 松质骨III型和骨IV型在骨重建过程中的平均密度分布和密度变化;(b) 种植体颈部、中部和顶端位置的平均骨密度;(c) 骨重塑过程后的杨氏模量分布。

 

图:有限元结果有和没有骨重建过程。(a)微应变分布; (b)疲劳失效范围内的骨体积。

文二:

 

基于图像的肌肉骨骼系统生物力学模型

摘要:

有限元建模是研究肌肉骨骼系统生物力学的宝贵工具。发展解剖学上精确的、最先进的有限元模型的一个关键要素是医学成像。事实上,生成有限元模型的工作流程包括需要感兴趣对象的医学图像可用性的步骤:分割,即将图像的每个体素分配给特定材料,如骨骼和软骨,从而允许解剖结构的三维重建;网格划分,这是对描述问题物理性质的方程进行近似所需的计算网格的创建;将材料特性分配给模型的各个部分,例如可以通过骨组织的定量计算机断层扫描和软组织的其他技术(弹性成像、T1rho和磁共振成像的T2映射)来估计。本文简要概述了用于图像分割、网格划分和评估生物组织力学性能的技术,重点介绍了肌肉骨骼系统的有限元模型。介绍了综合方法和最近的进展,如基于人工智能的方法。

 

图:根据医学图像(例如计算机断层扫描)开发和使用有限元模型的工作流程:分割、三维重建、通过滤波(平滑)、网格划分、载荷/边界条件的分配和材料特性来提高重建表面的质量。

 

图:通过最先进的深度学习方法或采用神经网络和可变形模型的新方法自动确定的由操作员手动执行的磁共振成像扫描的膝关节分割示例。

 

图:基于最先进的深度学习架构(deep Net)和更传统的基于模型的方法的工具的性能比较,用于分割健康和病理脊柱的计算机断层扫描,突出了深度网络的改进性能,尤其是在病理病例中。

 

图:规则域(左)上的结构化网格、不规则域(中)上的结构网格和不规则域上的非结构化网格的示例(右)。

 

图:腰椎模型的网格示例:结构化网格,突出了用于模拟椎间盘胶原纤维增强特性的特殊技术;b非结构化网格。

 

图:一名31岁男性患者,左跟腱健康。纵轴上的B型超声图像显示了跟腱近端三分之一的正常厚度和回声结构。b纵向实时应变声弹性成像显示跟腱近端三分之一的正常外观为蓝色,代表僵硬组织。肌腱上的皮下脂肪组织呈现黄色到绿色,表示软组织。c剪切波弹性成像显示,正常肌腱坚硬(红色)且均匀,肌腱上方和下方的软组织易于区分。(d) 方框是计算肌腱弹性的感兴趣区域。

 

图:一名42岁女性患者骶髂关节的磁共振成像。两个骶髂关节的斜轴T1加权涡轮旋转回波图像(a);详细地说是左侧骶髂关节(c)。相应的斜轴T2图(b,d)显示了在左侧骶髂关节间隙的骶髂关节侧手动绘制的ROI。

文三:

 

腹壁力学的数值模拟:肌肉收缩和腹内压力的作用

摘要:

腹壁的生物力学取决于肌肉激活、组织力学行为和腹内压力(IAP)。在这项工作中,基于医学图像中的腹壁几何形状,提出了一个人类腹部的数值模型。特定的组成式描述了组织的力学行为。结缔组织被建模为超弹性纤维增强材料,而肌肉组织则通过三元Hill模型进行描述。腹腔由与腹壁相互作用的体积区域表示。数值分析是通过应用肌肉收缩,引起腹腔容积减少和IAP同时增加来进行的。将对应于腹部紧缩的IAP处腹部位移的数值结果与通过对健康受试者的3D激光扫描获得的实验结果进行比较。数值和实验结果是相互一致的,并表明肌肉激活诱导腹壁侧的白线附近区域沿前后方向升高和沿腹壁侧外侧-内侧方向降低。这项工作中开发的数值模型可以连贯地表示腹壁力学。

 

图:腹壁实体模型:腹腔、白线(LA)、腹直肌(RA)、筋膜(A)、外斜肌(EO)、内斜肌(IO)和腹横肌(TA),具有肌纤维方向。

 

图:在数值模型中,在对应于坐(a)、站(b)和腹部紧缩(c)的IAP增加时,在两个横截面S1–S1和S2–S2上评估前后方向的位移U(mm)。对于每种情况,都会报告未变形(黑线)和变形(轮廓)的配置。

 

图:在肌肉收缩过程中,腹壁从3D扫描仪沿着相对于松弛腹部表面的局部法线方向的位移U(mm)。

 

图:肌肉收缩引起的腹部形状变化,在RA肌肉中间沿矢状面的纵向截面上进行评估(截面S3–S3)。

文四:

 

PauwelsⅢ型骨折五种固定技术的有限元生物力学分析

摘要:

背景和目的:Pauwels-III型骨折有多种固定方法,最常见的植入物有锁定钢板(LP)、动力髋螺钉(DHS)、多角螺钉(MLS)和混合固定器(DHS+MLS)植入物,常见的手术方法是半关节置换术(HA)。然而,这些固定物的生物力学功能尚不清楚。本研究的目的是通过有限元建模比较这五种植入物的力学性能,并确定最适合Pauwels-III骨折患者的手术方法。

方法:我们首先从*.dicom格式的CT扫描中收集了20组股骨图像,然后使用逆向工程软件程序进行处理,如Mimics、Geomagic Studio、UG-8、Pro Engineer和HyperMesh。最后,我们用AnSys对LP、DHS、MLS、DHS+LS和HA五种夹具模型进行了组装和分析。

结果:这些Pauwels III骨折的数值模型,包括固定器和模拟HA,通过先前的研究和尸体试验得到了验证。我们的分析结果包括:所有夹具的位移在0.3801和1.0834 mm之间,差异没有统计学意义;所得到的应力平均峰值为e(Ha)=43.859≤d(LP)=60.435≤b(MLS)=68.678<c(LS+DHS)=98.478<a(DHS)=248.595(Mpa),表明DHS和DHS+LS的应力大于LP、Ha和MLS的应力,而后三个模型没有显著差异。

结论:为了优化PauwelsⅢ型骨折的临床治疗,应提出HA和LP。

 

图:夹具和HA模型组装。

 

图:为5个型号指定的材料。

 

图:股骨干应力图(MPa)。

文五:

 

滑移中鞋-液-地板相互作用过程的生物力学模拟

摘要:

滑倒是公共安全的主要问题之一。通过确保鞋与地面的接触面有足够的附着力,可以降低打滑的风险。鞋的外底设计是在存在诸如水或油之类的湿滑污染物的情况下保持足够的鞋地面附着力的关键因素。虽然地板和污染物对鞋类附着力的作用已经得到了广泛的研究,但有限的工作已经研究了鞋外底几何形状和踏面花纹对鞋地板附着力的作用。在这项工作中,通过开发一种新的基于流体-结构相互作用的计算框架,在有水污染的普通地板上测试了八种鞋外底设计及其牵引性能。量化了外底图案中的诱导流体压力、质量流速和接触面积,并研究了它们对鞋摩擦的影响。通过机械滑移试验验证了研究结果。结果表明,具有水平踏面或足跟未经处理区域的外底可以显著降低鞋类摩擦。此外,在评估鞋类在水污染地板上的牵引性能时,仅接触面积被量化为一个糟糕的选择。迄今为止,此类新的研究结果尚未报道,预计将为鞋类制造商评估和优化鞋类踏面参数提供重要指导,这将有助于降低滑倒风险。

 

图:所选鞋类的3D CAD模型。

 

图:用于制造外底模型的方法。

 

图:计算建模步骤。(A) 外底弯曲17˚至50 mm,以及(B)静态载荷的边界条件。

 

图:CFD流场表征的边界条件。

 

图:生物芯片滑动测试装置。

 

图:在水作为污染物存在的情况下,由于滑动模拟而引起的压力。

 

图:在水作为污染物存在的情况下,由于滑动模拟而产生的质量流速。

   


来源:STEM与计算机方法
HyperMeshAbaqus疲劳UG芯片UM理论自动驾驶材料数字孪生试验人工智能ANSYS
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首次发布时间:2024-05-11
最近编辑:6月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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计算力学前沿 | 计算颗粒材料力学:从连续、离散体到多尺度途径

本文摘要:(由ai生成) 《计算颗粒材料力学》由李锡夔、楚锡华合著,探究颗粒材料力学的计算方法。书中涵盖连续体、离散体系及多尺度途径,讨论颗粒材料的力学行为,包括建模、理论和算法,并模拟材料破坏行为。此书为计算力学、计算材料学领域的研究人员、工程技术人员提供参考,也可作为研究生教材。作者感谢科学家和科研项目支持。 计算颗粒材料力学是基于连续介质力学、离散颗粒力学和多尺度力学的理论,利用计算机和各种数值方法,解决颗粒材料中力学及与其耦合的多物理过程问题的一门新兴学科。 颗粒材料广泛存在于自然界和地质、石油、岩土、生物、能源、化工、增材制造等诸多工程领域和材料科学、生命科学、农业科学、地球物理等诸多科学领域。在力学和工程界,颗粒材料被视为具有一定承载能力的可变形非均质材料。在物理学界,习惯于称颗粒材料为颗粒物质,并普遍认为颗粒物质是地球上除水之外最普遍存在的物质。实际上颗粒材料为紧致地粘连在一起并具有一定形状和质量的离散颗粒集 合体,它仅为颗粒物质中的一部分。化工和颗粒状物料输运等过程中的快速颗粒流为颗粒物质,但不能被称为颗粒材料。 颗粒材料是由大量离散固体颗粒汇聚、包含了其间孔隙形成的离散颗粒集 合体。颗粒材料的孔隙中常存在液、气等流体。颗粒间隙充满液体或部分充填液体(也可分别理解为颗粒间隙被液体或非混溶液气两相流体充填)的颗粒材料分别被称为饱和与非饱和颗粒材料。非饱和颗粒材料也可拓展到颗粒间隙为三相(例如按“干湿度” 排列的水、油、气三相)或多于三相非混溶流体充填的情况,但这不在本书(《计算颗粒材料力学: 从连续、离散体到多尺度途径》. 李锡夔, 楚锡华著. 北京:科学出版社,2023.12)的研究范围之内。 ▲ 颗粒材料中间隙液体的不同状态(a) 摆动状态;(b) 链索状态;(c) 毛细状态;(d) 浸渍状态 忽略颗粒材料中的间隙流体、考虑液体完全充填颗粒材料间隙或湿相流体(例如液体)与干相流体(例如气体)以非混两相流体形式充填颗粒材料间隙分别构成了本书所关注的干颗粒材料、饱和颗粒材料和非饱和颗粒材料。注意到颗粒材料是高度非均质多孔多相介质,具有多尺度材料结构层次的特征。它在介观尺度上可分别模型化为干、饱和、非饱和离散颗粒集 合体,在宏观尺度则分别模型化为等价的干多孔连续体、饱和与非饱和多孔连续体。颗粒材料在介、宏观中可统称为多孔多相介质。多孔连续体模型假定颗粒材料中固相、液相、气相等每个相的物质均同时充满多孔多相介质全域,即在时域的每一瞬间、在多孔连续体中尺度趋于无限小的每个材料点处各相均同时存在。 颗粒物理力学的研究表明,把单个颗粒模型化为一个固相整体的颗粒材料介观尺度研究尚不足以理解和解释颗粒材料中的某些物理力学现象,还需从更小的微观尺度、即基于单个颗粒的表面和内部结构对颗粒材料进行包含微观–介观–宏观的多尺度结构层次研究。但对颗粒材料的微观尺度研究不在本书范围内。 工程与科学领域的干颗粒材料和含液颗粒材料在外部激励作用下,分别普遍存在力学响应和水力–力学(hydro-mechanical)响应;同时,也常存在与此响应耦合的传质–传热等多物理耦合过程。由离散颗粒间耗散性相对摩擦运动、颗粒间接触丧失和再生以及单个颗粒破碎等介观力学行为导致的颗粒材料局部损伤、愈合、塑性等过程决定了颗粒材料中力学响应的高度非线性。颗粒材料的高度非均质性、多尺度结构特征、颗粒材料中力学–水力–传质–传热多物理耦合响应过程的高度非线性等因素以及计算机所提供的与日俱增的计算能力推动了“计算颗粒材料力学”(computational mechanics of granular materials)在国内外的发展,使之成为“计算力学” 中一个蓬勃发展的分支学科。“计算颗粒材料力学” 是基于连续介质力学、离散颗粒力学和多尺度力学中的理论,利用现代电子计算机和各种数值方法,解决颗粒材料中力学及与其耦合的多物理过程问题的一门新兴学科。 “计算颗粒材料力学” 经历了连续体途径、离散颗粒体途径以及结合了离散体和连续体模型的多尺度途径的发展历程。 根据颗粒材料的多尺度结构特征,“计算颗粒材料力学” 的研究途径可大致分为三类,即:基于连续介质力学理论的多孔连续体(porous continuum)模型结合以有限元法为代表的数值方法的连续体途径;基于离散力学(discrete mechanics)理论的离散颗粒集 合体模型结合以离散元法为代表的数值方法的离散体系途径;结合在宏观尺度采用连续体途径和在介观尺度采用离散体系途径的多尺度途径。需要说明,在物理学中颗粒物质尚不具备完备的理论框架,因此用以描述颗粒材料力学行为的离散力学理论远没有连续介质力学理论成熟;但这不影响本书中对所讨论具体问题在离散体系下的研究。 颗粒材料力学的研究始于岩土力学与工程领域。岩土材料在经典土力学中被视为连续体。 自1925 年Terzaghi 出版《理论土力学》以来基于连续体的颗粒材料相关理论取得了巨大的成功。特别是1941 年Biot 建立了基于有效应力原理的控制饱和多孔连续体动力与静力过程中流固相互作用的理论和公式。1989 年本书第一作者把Biot 理论拓展到了非饱和多孔连续体。Biot 理论是含液颗粒材料“计算颗粒材料力学” 连续体途径的坚实基础。颗粒材料的宏观尺度多孔连续体模型结合以有限元法、无网格法等为代表的数值方法的计算颗粒材料力学连续体途径已经并还正在显示它在求解从工程实践中归结出来的多孔连续体中力学及多物理场耦合响应的初–边值问题的有效性。然而考虑到颗粒材料的内在(介观尺度)离散特性,计算颗粒材料力学的连续体途径存在它的局限性。连续体途径要求为饱和或非饱和多孔介质提供假设的唯象本构关系和材料破坏模型与相当数量且往往缺乏物理意义和难以确定的材料参数。此外,在多孔连续体、特别是含液多孔连续体中由颗粒材料非均质性、离散及耗散本质导致的力学及多物理耦合响应的高度非线性和发生在孔隙尺度的流–固相互作用所导致的各向异性使得连续体途径对发生在颗粒材料中水力–力学响应的正确模拟更为困难。 事实上,以含液颗粒材料为背景的多孔连续体局部材料点处的复杂非线性本构行为的内在机制隐藏于宏观局部材料点处一小簇含液离散颗粒构成的集 合体,并与介观水力–力学响应过程相伴随的介观结构演变密切关联。随着计算机能力的快速大幅提升和并行计算、GPU 等计算方法与技术的快速发展,计算量需求比连续体途径大得多、但可深入到颗粒尺度的基于离散颗粒集 合体模型和利用以离散元法为代表的数值方法的离散体系途径在近半个世纪来得到了迅猛发展。 但如果采用基于“高保真度” 离散元法和直接数值模拟(DNS, Direst Numerical Simulation)方案求解工程实际中颗粒材料结构的力学或水力–力学耦合过程边–初值问题,计算颗粒材料力学的离散体系途径将遭遇难以承受的巨大计算工作量。依靠计算颗粒材料力学多尺度途径,结合在宏观尺度采用连续体途径和在介观尺度采用离散体系途径的计算多尺度方法可以充分利用连续体途径和离散体系途径的优点,避免它们的各自缺点。 ← 左右滑动查看 目录 → 《计算颗粒材料力学: 从连续、离散体到多尺度途径》(李锡夔, 楚锡华著. 北京:科学出版社,2023.12)反映了作者与合作者在计算颗粒材料力学三个途径方面的研究工作。特别关注以材料软化和变形局部化为特征的颗粒材料破坏行为模拟。全书由三部分组成,共20 章。 ▋第一部分:连续体途径,包含8 章(第1∼8 章),从提出非饱和多孔连续体广义Biot 理论和有限元方法开始,介绍干、饱和与非饱和颗粒材料在连续体途径下力学和多物理过程的非线性问题建模、理论与算法。 ▲ 不同时刻混凝土柱的等效塑性应变分布 ▋第二部分:离散体系途径,包含6 章(第9∼14 章),从提出计及接触颗粒间滚动摩擦效应的离散颗粒模型及数值方法开始,介绍饱和与非饱和颗粒材料的含液离散颗粒体系模型及数值方法、颗粒破碎和颗粒集 合体中波传播分析的数值方法。 ▲ 饱和多孔连续体的二维饱和Voronoi胞元模型示意图 ▋第三部分:计算多尺度途径,包含6 章(第15∼20 章),从论证基于颗粒材料介观信息的等效多孔连续体为Cosserat 连续体开始,重点介绍颗粒材料二阶协同计算均匀化方法及相应数值方法、基于介观结构和响应演变和热动力学框架的损伤-愈合-塑性表征方法。 ▲ 颗粒材料的介–宏观均匀化:离散颗粒集 合体–Cosserat 连续体模拟 本书可供在计算力学、计算材料学,以及与颗粒材料相关的土木、水利、机械、化工、能源、生物骨料等领域的研究人员和工程技术人员的工作参考,也可供高等学校相关专业研究生课程作为参考教材。 在本书完稿之际,本书第一作者首先要感恩已故我国计算力学创始人钱令希院士。他在1983 年把本书第一作者推荐给国际计算力学创始人之一的英国皇家学会会员Zienkiewicz OC 教授,让作者有机会在较高起点开启计算多孔多相介质力学的学习和研究。感谢钟万勰院士。作为钟万勰院士的早期科研助手,本书第一作者在计算力学基本功的编程、调试和建模等方面得到了很好的磨炼。钟老师潜心做学问和科学探索精神使作者受益终身。感谢程耿东院士在本书第一作者申请国内外重要科研项目和科研工作等各方面曾给予的鼓励和支持。作者感恩已故Zienkiewicz OC 教授,他鼓励作者独立承担了英国石油公司委托的海底石油二次开发过程数值模拟研究项目,使得作者有机会在国内外首先把饱和多孔连续体的Biot 理论拓展到了非饱和多孔多相连续体,对非饱和多孔多相连续体建立了真正意义上的三相数学模型、广义Biot 理论和相应数值方法(详见下列文献)。这一工作也进一步促进了作者在计算颗粒材料力学领域的后续研究工作。 Li X K, Ding D P, Chan A H C, Zienkiewicz O C, 1989a. A coupled finite element method for the soil pore fluid interaction problems with immiscible two-phase fluid flow. In: Proceedings of the 5th International Symposium on Numerical Methods in Engineering, Lausanne.Li X K, Willson S M, Zienkiewicz O C, 1989b. Nonlinear coupled analysis for stress, pressure and saturation in oil formation during steam injection. Internal report of Institute for Numerical Methods in Engineering, University College of Swansea, UK. Report Number: CR/637/89.Li X K, 1990. Finite-element analysis for immiscible two-phase fluid flow in deforming porous media and an unconditionally stable staggered solution. Communications in Applied Numerical Methods, 6: 125–135.Li X K, Zienkiewicz O C, Xie Y M, 1990. A numerical model for immiscible two-phase fluid flow in a porous medium and its time domain solution. Int. J. for Numerical Methods in Eng., 30: 1195–1212. 本书工作得到了国家自然科学基金委员会基金项目的支持,包括:重点基金研究项目(19832010, 含有液体的多孔介质在强动荷载作用下的力学行为),面上基金研究项目(11772237, 11372066, 11072046, 90715011, 10672033, 50278012,10272027, 59878009, 19472016, 59478014); 得到了国家科技部的973 项目(2010CB731502, 地质体渐进破坏过程的演化机理及计算模型)的支持,国家科技部攀登A 研究计划(1997.1—2000.12)“大规模科学计算的方法和理论”的研究项目“耦合问题中的非线性有限元方法”和攀登B 研究计划(1995.1—2000.2)“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”的研究项目“高层建筑深基坑安全性分析”的支持;得到欧共体国际科学合作署国际合作研究项目(CI1*-CT94-0014)(Modelling of miscible pollutant transport by underground water in nonsaturated zones)的资助。 本文摘编自《计算颗粒材料力学: 从连续、离散体到多尺度途径》(李锡夔, 楚锡华著. 北京:科学出版社,2023.12)一书“前言”,有删减修改,标题为编者所加。来源:STEM与计算机方法

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