在模拟心肌组织样本活跃收缩的平滑有限元素方法
Denisa Martonová1, David Holz1, Minh Tuan Duong2
1Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Institute of Applied Dynamics, Immerwahrstraße 1, 91058 Erlangen, Germany.
Journal of biomechanics
|July 13, 2023
概括
平滑有限元素方法 (S-FEMs) 为模拟心脏力学所面临的计算挑战提供了解决方案. 具体来说,基于面部/节点的S-FEM (FS/NS-FEM) 准确地模拟了活跃的心脏收缩,并减少了误差.
科学领域:
- 计算力学是计算力学.
- 生物医学工程 生物医学工程
- 心脏建模的心脏建模
背景情况:
- 四面体网格和线性有限元素方法 (FEM) 在心脏力学模拟中很常见.
- 具有几乎不可压缩模型的线性FEM可以导致过于硬的结果和体积锁定.
- 在FEM中,高阶元素在计算上昂贵.
研究的目的:
- 研究平滑有限元素方法 (S-FEMs) 的应用,以模拟3D中的活跃心脏收缩.
- 在Abaqus中实施和评估基于节点的S-FEM (NS-FEM),基于面部的S-FEM (FS-FEM) 和选择性的FS/NS-FEM.
- 评估S-FEM与心脏力学传统FEM相比的准确性和效率.
主要方法:
- 在Abaqus中实现NS-FEM,FS-FEM和FS/NS-FEM作为用户子程序.
- 在3D心肌组织样本上模拟活跃的心脏收缩.
- 将S-FEM结果与线性和二次性FEM解决方案进行比较.
主要成果:
- 与线性FEM相比,所有测试的S-FEM都显示出更柔软的近似.
- 在所有S-FEM中,体积计锁定显著减少.
- 与二进制FEM相比,FS/NS-FEM在位移和旋转中的相对误差低于5%,即使使用线性形状函数.
结论:
- 在心脏力学中,S-FEM有效地减轻了与线性FEM相关的过度刚性和体积锁定问题.
- FS/NS-FEM是一种高度准确和高效的数值方法,用于模拟活跃的心肌收缩.
- 开发的S-FEM实现为先进的心脏建模和模拟提供了有价值的工具.
