عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی چند مقیاسی سیستم های نرم بیومکانیکی
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - سازه
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2117;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70967
- تاریخ دفاع
- ۲۸ مرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- فرشید فتحی
- استاد راهنما
- سهیل محمدی توچائی
- چکیده
- بدن انسان و اجزاء آن که عضو یا اُرگان نام دارند از ساختار بافت نرمِ همبند تشکیل شده‌اند. این نوع بافت‌ها متشکل از گستره‌ی عظیمی از مواد بیولوژیکی هستند. بافت‌های همبند را می‌توان به دلیل شکل‌پذیریِ بالا و ویژگی‌های مکانیکی نرمِ آن‌ها از بافت‌های سخت (معدنی) مثل استخوان جدا کرد. در این پژوهش به بررسی این نوع از بافت‌ها از دیدگاه علم مواد، بیومکانیک و مکانیک محاسباتی پرداخته شده است. این پژوهش با بهره¬گیری از دو رویکرد پدیده¬ای و چندمقیاسی به شبیه¬سازی بافت¬های نرم همبند، در قالب تغییرشکل¬های بزرگ و به کمک روش اجزای محدود، پرداخته است. رویکرد پدیده¬ای به بررسی رفتار این گونه از مواد در یک مقیاس اشاره دارد؛ حال آن¬که در رویکرد چند مقیاسی اثرات ریزمقیاس¬ها در مقیاس¬های بالاتر، به صورت ترتیبی، دیده می¬شود تا رویکردی هر چه واقع¬بینانه¬تر در نظر گرفته شود. از مزایای دیگر این رویکرد می¬توان به بررسی خود ریز مقیاس¬ها و تضمین کفایت آن¬ها تحت بارهای اعمالی در مقیاس¬های بالاتر اشاره کرد که در این پژوهش به تفصیل مورد شرح و بررسی قرار گرفته است. رویکرد عددی به کار رفته در این پژوهش در قالب یک برنامه کامپیوتری پیاده¬سازی شده و برنامه¬ی حاصل در طی مثال¬های متعدد، با مقایسه با داده¬های عددی و آزمایشگاهی، راستی آزمایی شده ¬است. این مثال¬ها شامل عضوهای گوناگون با بافت نرم اعم از پوست، آئورت و تاندون، به صورت کامپوزیت¬های زیستی ناهمسان¬گرد مسلح به تارهای کلاژن می¬باشند. در این پژوهش روابط مورد نیاز جهت شبیه¬سازی عددی، از طریق توابع ریاضی ارائه شده در ادبیات فنی که با بهره گیری از دانش بافت¬شناسی مبین رفتار بافت نرم هستند، طی انجام محاسبات پیچیده در حوزه¬ی جبر تانسوری و با استفاده از قوانین تغییر شکل¬های بزرگ مورد محاسبه واقع شده¬اند. نتایج عددی این مثال¬ها انطباق خوب نتایج مدل¬های به کار گرفته شده را با داده¬های آزمایشگاهی و عددی نشان می¬دهند. توانایی پیش¬بینی رفتار این دسته از مواد با دقت بالا دست¬آوردی است که گامی موثر در جهت پیشرفت علم بیومکانیک محسوب می¬شود.
- Abstract
- Human body and its substructural organs are mainly composed of soft connective tissues. Resilence and soft properties of these materials, fundamentally, distinct them form hard (mineral) tissues such as bones. The aim of this thesis is to investigate the behavior of soft tissues. To this end, the finite element analysis and the large deformation formulation are employed. To track this goal, two different approaches are implemented. The phenomenological analysis is the first approach, in which only one scale is considered. The second efficient approach is the multi-scale analysis which takes into account the micro structural effects on macro responses. Precise analysis of the micro-scale is an important outcome of this approach, which is comprehensively exploited in this thesis on account of the resilience and function of micro-structures under the effects of physical forces from upper-scales. The numerical analysis is performed within a finite element code, which has demonstrated a good agreement with experimental data. In order to validate the proposed code, anisotropic collagen fiber reinforced biological composites are incorporated to exemplify different tissues such as skin, abdominal aorta and tendon. Essential mathematical formulations, which also take into account the knowledge of Histology, are utilized to simulate soft biological tissues. They are achieved within a platform of the tensor algebra’s complex formulation and the large deformation theory. Predictions of the behavior of such materials have always been a target of biomechanics.
