عنوان پایان‌نامه
مدل سازیانقباض فعال عضله در بستر رفتار غیر فعال پوروالاستیک
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3272;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75511
- تاریخ دفاع
- ۳۱ مرداد ۱۳۹۵
- دانشجو
- مرضیه اویسی
- استاد راهنما
- محمدعلی نظری
- چکیده
- تحقیق به منظور یافتن مدلی برای رفتار ماده‌ی عضله که بوسیله‌ی آن بهتر بتوان حالت مکانیکی و فیزیکی عضله را مدل کرد از اهمیت ویژه‌ای در تشخیص بیماری‌های مرتبط با عضله و پیشبینی رفتار‌های آن برخوردار است. در تحقیقات گذشته خاصیت غیر فعال عضله‌ی اسکلتی یا به صورت ماده‌ای هایپرالاستیک با همسانگردی عرضی به دلیل وجود فیبر‌های فعال در آن مدل شده است و یا به صورت ماده‌ی پوروالاستیک بررسی شده است. حال آنکه بدلیل وجود مایع درون بافت عضلات اسکلتی و تغییر در این مایع به هنگام جراحت و بیماری‌های مرتبط با کاهش آب بدن بررسی انقباض فعال آن‌ها در بستر رفتار پوروالاستیک حائز اهمیت می‌باشد. از این رو در این تحقیق تأثیر وجود فرض پوروالاستیسیته بر روی بافت عضله به هنگام فعالسازی آن مورد مطالعه قرار می‌گیرد. یک مدل اجزای محدودی سه بعدی از عضله‌ی بازوی ماهی مرکب به هنگام شکار طعمه بدلیل وجود نتایج تجربی آن، ایجاد شده است. مدل عضله‌ی اعمال شده به آن از دو بخش فعال و غیر فعال تشکیل شده است و در شرایط شبه استاتیکی بررسی می‌گردد. بخش فعال آن از معادله‌ی هیل برای انقباض عضله پیروی می‌کند. مدل هیل حاکم بر حالت شبه استاتیکی از دو بخش سیگنال فعالسازی که دستور ایجاد شده توسط سیستم عصبی مرکزی است و رابطه‌ی نیرو-طول تشکیل شده است. بخش غیرفعال عضله به عنوان ماده‌ی هایپرالاستیک با همسانگردی عرضی و تقریباً تراکم ناپذیر در نظر گرفته شده است. همچنین در بررسی تأثیر پوروالاستیسیته بر روی رفتار عضله، برای بخش غیر فعال تخلخل در نظر گرفته شده و معادله‌ی دارسی بر روی رفتار سیال آن پیاده می‌شود. مقایسه‌ی نتایج بدست آمده برای جابجایی انتهایی عضله با نتایج تجربی نشان می‌دهد که رفتار پوروالاستیک نسبت به رفتار هایپرالاستیک پاسخی نزدیک‌تر به نتایج تجربی را به میزان 0.9% فراهم می‌سازد. همچنین تنش کوشی کل ایجاد شده در ماده‌ی متخلخل بیشتر از ماده‌ی غیر متخلخل بوده و این اختلاف به هنگام بررسی تنش مؤثر بیشتر می‌شود. نتایج بدست آمده دید خوبی از رفتار عضله را فراهم می‌سازد و همچنین می‌توان به این نکته دست یافت که بدلیل حرکت مایع درون عضله به هنگام انقباض فعال، افزودن فرض پوروالاستیسیته بر مدل عضله به نتایج نزدیک‌تر به واقعیت منجر می‌شود. واژه‌های کلیدی: انقباض فعال عضله- مدل عضله‌ی هیل- پوروالاستیک- هایپرالاستیک- همسانگردی عرضی
- Abstract
- The search for a material model of living tissues which better replicates the experimental results has become of great interest especially in analyzing and predicting the behavior of muscles in different conditions. Many models have been proposed on muscle contractions as muscles are the main means of the motion. The muscles have been modelled as either hyperelastic or poroelastic materials in separate studies. The study of the muscle as a porous material would be of great value in injuries which would result in the loss of the muscle fluid and also in diseases related to dehydration in human body. In the current study, the effect of assuming the muscle material to be porous has been investigated. A three dimensional finite element model of the squid tentacle muscle in a prey catch is simulated. The material is defined through a user material subroutine. As for the muscle constitutive relation, the transversely isotropic and nearly incompressible strain energy function was chosen. This function consists of an active and a passive part. The active part is reinforced with radially oriented fibers which their contraction obeys the Hill’s three-element muscle contraction formulation. The activation function is composed of an activation command, ranging between 0 and 1, simulating the command from central nervous system and a force-length relationship. The passive part is assumed to behave as a hyperelastic model with porosity effects. The muscle porosity effect is imposed by considering the muscle medium to be consisted of two parts of fluid and solid. The porous material is defined through permeability and porosity factors. The Darcy’s law is imposed on the fluid part. The comparison between the simulation results and the experimental data, indicates that the poro-hyperelastic assumption for the muscle behavior enhances the maximum tip displacement of a tentacle in catching a prey compared to the non-porous hyperelastic material by 0.9%. The stress and effective stress have also been compared. The absolute total stress in the porous muscle is higher than the nonporous muscle and this difference becomes significant while comparing the effective stress. The results provide a better insight into the material characteristics of muscles. It is found that the poro-hyperelastic model has a response closer to the reality due to effect of movement of body fluids in the process of muscle activation compared to the hyperelastic model. Keywords: Muscle contraction, Hill-type muscle model, Porosity, Transversely isotropic, Hyperelasticity
