FEBioとMFEMを用いた浸水流体構造相互作用モデリングのためのオープンソース計算フレームワーク

科学分野:

• 計算力学
• 生体力学
• 高性能コンピューティング

背景:

• 生物学における流体構造相互作用（FSI）シミュレーションは、特に大きな変形や接触を伴う場合に、計算上のハードルに直面しています。
• 従来の任意ラグランジュオイラー（ALE）法は、複雑なFSIシナリオでのメッシュ歪みに苦労しています。
• 浸水法は、FSIにおけるメッシュ関連の制限を克服するための有望な代替手段を提供します。

研究 の 目的:

• 新しいオープンソース浸水FSIフレームワークを発表すること。
• MFEMとFEBioの有限要素ライブラリを連携させ、生体力学シミュレーションを強化すること。
• 生物システムにおける複雑なFSI問題に対する高性能コンピューティングソリューションを提供すること。

主な方法:

• GPU対応の並列計算が可能なMFEMと、非線形固体力学のFEBioを連携させ、浸水FSIフレームワークを開発しました。
• 精度を確保するために、変動マルチスケール安定化を用いた仮想領域手法を採用しました。
• 強力に連成されたFSIの堅牢な連携のために、完全に暗黙的でモノリシックなスキームを利用しました。

主要な成果:

• フレームワークは、流体ダイナミクスのためのMFEMの並列性能とGPUアクセラレーションを活用します。
• 弾性および粘弾性固体のためのFEBioの高度な構成モデルを統合します。
• 3D半月弁シミュレーションを含むテスト問題を通じて能力を実証しました。

結論:

• 開発されたフレームワークは、オープンソースの浸水FSIソフトウェアの必要性に対応します。
• 高度な生体力学モデリングと高性能コンピューティング機能を組み合わせます。
• 生物システムにおける複雑な流体構造相互作用のシミュレーションのための堅牢で拡張性の高いプラットフォームを提供します。