使用简化的有限元网格来识别关节软骨的材料参数的含义
Nicole E Szabo1, Joshua E Johnson2, Marc J Brouillette2
1Department of Orthopedics and Rehabilitation, University of Iowa, Iowa City, IA, 52242, USA; Department of Biomedical Engineering, University of Iowa, Iowa City, IA, 52242, USA.
Medical engineering & physics
|September 16, 2024
概括
在软骨分析中,简化有限元素 (FE) 网状几何学并没有产生系统的参数差异. 然而,这些变化可以显著改变随后的FE模型预测和结果.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 生物材料科学 生物材料科学
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 准确的材料属性估计对于生物力学计算模型至关重要.
- 有限元 (FE) 分析依赖于网状几何学,可以简化以提高计算效率.
- 在现场内测试是描述软组织力学的一个常见方法.
研究的目的:
- 为了研究简化有限元 (FE) 网格几何学对软骨材料参数估计的影响.
- 为了比较来自2D轴对称,3D理想化和3D样本特定FE网格的材料参数.
- 评估由网格衍生的参数变化对后续FE模型预测的影响.
主要方法:
- 六个牛骨髓骨质突破器经过了现场缩测试,并测量了连续的步骤应变和放松力.
- 通过与三种不同的FE网格类型进行反代拟合,估计了多孔粘性高弹性材料参数.
- 估计的材料参数应用于单独的3D FE模型,以评估应力和孔隙压力差异.
主要成果:
- 在2D轴对称,3D理想化和3D样本特定的FE网格中没有观察到估计材料参数的系统差异或明显模式.
- 在随后的FE模型中,实施不同的参数集导致·米塞斯应力 (高达25%) 和孔隙压力 (高达50%) 的显著变化.
- 选择FE网格用于参数识别与基本几何特征没有相关性.
结论:
- 虽然简化的FE网格可能不会系统地改变初始参数估计,但由此产生的变化可能会不可预测地影响随后的FE模型结果.
- 准确的材料参数确定对于生物力学中可靠的FE分析至关重要.
- 在材料属性估计过程中,在网状几何学上做出理想化的假设,可能会阻碍FE模型结果的解释.
