Метод определения упругих свойств элемента негомогенной среды на основе данных компьютерной томографии

Метод определения упругих свойств элемента негомогенной среды на основе данных компьютерной томографии

Автор: Герасимов О.В., Семнова Е.В., Шакирова Л.Р., Балтина Т.В., Бережной Д.В., Саченков О.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Определение механических параметров выступает одним из актуальных направлений при расчёте элементов негомогенных сред. Необходимость построения численных моделей в первую очередь обусловливается развитием современных подходов к воссозданию материалов различной композитной структуры. Применение расчётных моделей в клинической практике также позволяет исследовать прочностные показатели объектов биологического происхождения, к особенностям которых можно отнести уникальность структурного распределения материала. Наибольшее распространение в этом случае получили подходы, основанные на применении данных с изображений. В рамках данной работы представлен метод построения матрицы упругих постоянных на основе данных цифрового двойника. В ходе работы выполняется построение изображений с заданной структурой материала, а также извлечение данных из снимков компьютерной томографии натурных образцов. Усреднение механических показателей выполнялось на основе метода конечных элементов для области квадратной или кубической геометрии, определяющей элементарную ячейку. Проведение расчётов предложенным методом показало сходимость метода с данными аналитического расчёта на примере решения тестовых задач, а также определило качественное соответствие результатов особенностям структурного распределения материала в натурных образцах. Представленный метод гомогенизации позволяет определять упругие характеристики элемента среды с учётом неоднородных свойств образующего материалаx.

Еще

Механические свойства, негомогенные среды, численное моделирование, компьютерная томография, сегментация изображений, цифровой двойник, метод конечных элементов

Короткий адрес: https://sciup.org/146282988

IDR: 146282988   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.04

Список литературы Метод определения упругих свойств элемента негомогенной среды на основе данных компьютерной томографии

  • Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М. А. Жмайло, А.Н. Коваленко. // Российский журнал биомеханики. – 2022. – Т. 26, №4. – C. 19–33. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.4.02
  • Multislice computed tomography in the complex assessment of deformities of long tubular bones of the lower extremities: prospective cohort study / A. Bagirov, P. Suvarly, E. Ogaryov, A. Yeltsin, D. Mininkov, A. Tagizade // N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. – 2023. – Vol. 29. – P. 269–277. DOI: 10.17816/vto111559
  • Nondestructive micro-computed tomography for biological imaging and quantification of scaffold–bone interaction in vivo / G. Vanlenthe, H. Hagenmuller, M. Bohner, S. Hollister, L. Meinel, R. Muller // Biomater. – 2007. – Vol. 28, no. 15. – P. 2479–2490. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2007.01.017
  • Численное исследование влияния степени недопокрытия вертлужного компонента, подкрепленного винтом, на несущую способность эндопротеза тазобедренного сустава / П.В. Большаков, Р.М. Тихилов, А.В. Мазуренко, Ю.Г. Коноплев, Р.Д. Пряжевский, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. – 2018. – Т. 22, № 1. – С. 19–30. DOI: 10.15593/RJBiomech/2018.1.02
  • Kasiviswanathan, V. Analytical, numerical and experimental studies on effective properties of layered (2–2) multiferroic composites / V. Kasiviswanathan, A. Arockiarajan // Sens. Actuator. – 2015. – Vol. 236. – P. 380–393. DOI: 10.1016/j.sna.2015.11.010
  • Toward better understanding of the effect of fiber distribution on effective elastic properties of unidirectional composite yarns / S.M. Mohammadi, M. Komeili, A.B. Phillion, A.S. Milani // Comput. Struct. – 2016. – Vol. 163. – P. 29–40. DOI: 10.1016/j.compstruc.2015.10.002
  • Vahterova, Y.A. Effect of shape of armoring fibers on strength of composite materials / Y.A. Vahterova, Y.N. Min // TURCOMAT. – 2021. – Vol. 12 (2). – P. 2703–2708. DOI: 10.17762/turcomat.v12i2.2295
  • Vilchevskaya, E. Effective elastic properties of a particulate composite with transversely-isotropic matrix / E. Vilchevskaya, I. Sevostianov // int. J. Eng. Sci. – 2015. – Vol. 94. – P. 139–149. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2015.05.006
  • Пилотное исследование потери устойчивости на сжатие решетчатого эндопротеза с помощью рентгеновской томографии / К.Н. Акифьев, Н.В. Харин, Е.О. Стаценко, О.А. Саченков, П.В. Большаков // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 4. – С. 40–49. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.03
  • Исследование пористости образца с флюид насыщенными закрытыми порами под действием внешней нагрузки / Н.В. Харин, К.Н. Акифьев, Е.О. Стаценко, Е.В. Семенова, О.А. Саченков, П.В. Большаков // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. – 2024. — Т. 3 (114). – С. 70–91. EDN: SAQEVR
  • Bolshakov, P. Structural design method for constructions: simulation, manufacturing and experiment / P. Bolshakov, N. Kharin, R. Kashapov, O. Sachenkov // Materials. – 2021. – Vol. 14 (20). – 6064. DOI: 10.3390/ma14206064
  • Overcoming the limitation of in-situ microstructural control in laser additive manufactured Ti–6Al–4V alloy to enhanced mechanical performance by integration of synchronous induction heating / W. Fan, H. Tan, F. Zhang, Z. Feng, Y. Wang, L.-C. Zhang, X. Lin, W. Huang // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – Vol. 94. – P. 32–46. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.02.069
  • Laser Additive Manufacturing on Metal Matrix Composites: A Review / N. Li, W. Liu, Y. Wang, Z. Zhao, T. Yan, G. Zhang, H. Xiong // Chin. J. Mech. Eng. – 2021. – Vol. 34, iss. 3. – P. 38. DOI: 10.1186/s10033-021-00554-7
  • Большаков, П.В. Моделирование разрушения неоднородного тела методом конечных элементов с использованием данных компьютерной томографии / П.В. Большаков, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. – 2020. – Т. 24, № 2. – С. 248–258. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2020.2.12
  • Полянский, Р.К. Клинико-экспериментальное обоснование использования межпозвонковых имплантатов из углеситалла в шейном отделе позвоночного столба у собак: диссертация канд. вет. наук: 06.02.04 / РКП. ‒ М., 2016. ‒ 118 с.
  • Intervertebral disc degeneration in the dog. Part 1: Anatomy and physiology of the intervertebral disc and characteristics of intervertebral disc degeneration / N. Bergknut, L.A. Smolders, G.C.M. Grinwis, R. Hagman, A.S. Lagerstedt, H.A.W. Hazewinkel, M.A. Tryfonidou, B.P. Meij // Vet. J. – 2013. – Vol. 195 (3). – P. 282–291. DOI: 10.1016/j.tvjl.2012.10.024
  • Clinical Importance of Hounsfield Unit in Computed Tomography of Sub-Axial Cervical Vertebral Body / S. Choi, Y.-K. Park, J.H. Kim, H. Moon, W.-K. Kwon, C. Ham // Asian Journal of Pain. – 2022. – Vol. 8, no. 2. DOI: 10.35353/ajp.2022.00059
  • Экспериментальное определение тензора структуры трабекулярной костной ткани / А.А. Киченко, В.М. Тверье, Ю.И. Няшин, А.А. Заборских. // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т.15, № 4. – С. 78–93.
  • Fabric-elasticity relationships of tibial trabecular bone are similar in osteogenesis imperfecta and healthy individuals / M. Simon, M. Indermaur, D. Schenk, S. Hosseinitabatabaei, B.M. Willie, P. Zysset // Bone. – 2022. – Vol. 155. – 116282. DOI: 10.1016/j.bone.2021.116282
  • Bone Volume Fraction and Fabric Anisotropy Are Better Determinants of Trabecular Bone Stiffness Than Other Morphological Variables / G. Maquer, S. Musy, J. Wandel, T. Gross, P. Zysset // Journal of Bone and Mineral Research. – 2014. – Vol. 30. DOI: 10.1002/jbmr.2437
  • Методика определения ортотропных свойств костного органа по данным компьютерной томографии / Н.В. Харин, О.В. Герасимов, П.В. Большаков, А.А. Хабибуллин, А.О. Федянин, М.Э. Балтин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. – 2019. – Т. 23, №3. – C. 460–468. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2019.3.11
  • Carniel, T.A. On multiscale boundary conditions in the computational homogenization of an RVE of tendon fascicles / T.A. Carniel, B. Klahr, E.A. Fancello. // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. – 2019. – Vol. 91. – P. 131–138. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.12.003
  • Hollister, S.J. A comparison of homogenization and standard mechanics analyses for periodic porous composites / S.J. Hollister, N. Kikuchi // Comput. Mech. – 1992. – Vol. 10, no. 2. – P. 73–95. DOI: 10.1007/BF00369853
  • Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, Р.Р. Рахматулин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 3. – С. 53–66. DOI: 10.15593/RzhBiomech/2023.3.04
  • Определение напряженно-деформированного состояния костей по данным компьютерной томографии / О.В. Герасимов, Р.Р. Рахматулин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2023. – Т. 8 (761). – С. 3–15. DOI: 10.18698/0536-1044-2023-8-3-15
  • Оценка напряжённого состояния позвоночных столбов собак на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, К.Р. Шарафутдинова, В.С. Караман, Г.Т. Салеева, О.А. Саченков // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 1. – С. 40–53. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2024.1.03
  • Andreassen, E. How to determine composite material properties using numerical homogenization / E. Andreassen, C.S. Andreasen // Computational Materials Science. – 2014. Vol. 83. – P. 488–495. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.09.006
  • Dong, G. A 149 Line Homogenization Code for Three-Dimensional Cellular Materials Written in MATLAB / G. Dong, Y. Tang, Y.F. Zhao // J. Eng. Mater. Technol. – 2019. – Vol. 141 (1). – 011005. – DOI: 10.1115/1.4040555
  • Patient-Specific Bone Organ Modeling Using CT Based FEM / O. Gerasimov, N. Kharin, E. Statsenko, D. Mukhin, D. Berezhnoi, O. Sachenkov // Lecture Notes in Computational Science and Engineering. – 2021. – Vol. 141. DOI: 10.1007/978-3-030-87809-2_10
  • Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM / O.V. Gerasimov, N.V. Kharin, A.O. Fedyanin, P.V. Bolshakov, M.E. Baltin, E.O. Statsenko, F.O. Fadeev, R.R. Islamov, T.V. Baltina, O.A. Sachenkov // Front. Mech. Eng. – 2021. – Vol. 7. – 688474. DOI: 10.3389/fmech.2021.688474
  • Microstructure Characterization and Reconstruction in Python: MCRpy / P. Seibert, A. Raßloff, K. Kalina, M. Ambati, M. Kästner // IMMI. – 2022. – Vol. 11. – P. 1–17. DOI: 10.1007/s40192-022-00273-4
  • Deep learning-based inverse design of three-dimensional architected cellular materials with the target porosity and stiffness using voxelized Voronoi lattices / X. Zheng, T.-T. Chen, X. Jiang, M. Naito, I. Watanabe // STAM. – 2022. – Vol. 24. DOI: 10.1080/14686996.2022.2157682
  • Guedes, J.M. Preprocessing and postprocessing for materials based on the homogenization method with adaptive finite element methods / J.M. Guedes, N. Kikuchi // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1990. – Vol. 83, iss. 2. – P. 143–198. DOI: 10.1016/0045-7825(90)90148-F
  • Hassani, B. A review of homogenization and topology opimization II – analytical and numerical solution of homogenization equations / B. Hassani, E. Hinton // Computers & Structures. – 1998. – Vol. 69, iss. 6. – P. 719–738. DOI: 10.1016/S0045-7949(98)00132-1
  • Hassani, B. A review of homogenization and topology optimization I – homogenization theory for media with periodic structure / B. Hassani, E. Hinton. // Computers & Structures. – 1998. – Vol. 69, iss. 6. – P. 707–717. DOI: 10.1016/S0045-7949(98)00131-X
  • Helnwein, P. Some remarks on the compressed matrix representation of symmetric second-order and fourth-order tensors / P. Helnwein // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. — 2001. – Vol. 190, iss. 22–23. – P. 2753-2770. DOI: 10.1016/S0045-7825(00)00263-2
  • Mazur, K. A new finite element with variable Young's modulus / K. Mazur, M. Krawczuk, L. Dąbrowski // Int. J. Numer. Meth. Biomed. Engng. – 2023. – Vol. 39 (7). – e3712. DOI: 10.1002/cnm.3712
  • Nina, O. A recursive Otsu thresholding method for scanned document binarization / O. Nina, B. Morse, W. Barrett // WACV. – 2011. – P. 307–314. DOI: 10.1109/WACV.2011.5711519
  • Fedotov, A. Prediction of effective elasticity moduli of porous composite materials / A. Fedotov // Proceedings of Higher Schools. Powder Metallurgy and Functional Coatings. – 2015. – no. 1. – P. 32. DOI: 10.17073/1997-308X-2015-1-32-37
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp