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Electromechanical model of hiPSC-derived ventricular cardiomyocytes cocultured with fibroblasts
(2018)
The CellDrum provides an experimental setup to study the mechanical effects of fibroblasts co-cultured with hiPSC-derived ventricular cardiomyocytes. Multi-scale computational models based on the Finite Element Method are developed. Coupled electrical cardiomyocyte-fibroblast models (cell level) are embedded into reaction-diffusion equations (tissue level) which compute the propagation of the action potential in the cardiac tissue. Electromechanical coupling is realised by an excitation-contraction model (cell level) and the active stress arising during contraction is added to the passive stress in the force balance, which determines the tissue displacement (tissue level). Tissue parameters in the model can be identified experimentally to the specific sample.
The overall objective of this study is to develop a new external fixator, which closely maps the native kinematics of the elbow to decrease the joint force resulting in reduced rehabilitation time and pain. An experimental setup was designed to determine the native kinematics of the elbow during flexion of cadaveric arms. As a preliminary study, data from literature was used to modify a published biomechanical model for the calculation of the joint and muscle forces. They were compared to the original model and the effect of the kinematic refinement was evaluated. Furthermore, the obtained muscle forces were determined in order to apply them in the experimental setup. The joint forces in the modified model differed slightly from the forces in the original model. The muscle force curves changed particularly for small flexion angles but their magnitude for larger angles was consistent.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. Die Autoren möchten der Europäischen Kommission an dieser Stelle für die Förderung ausdrücklich danken. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist änhlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA geplante Zuverlässigkeitsanalyse ist erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar.
Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der klassischen Plastizitätstheorie, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Eine FEM-basierte Traglast- und Einspielanalyse für ideal plastisches Material wurde auf ein kinematisch verfestigendes Materialgesetz erweitert und in das Finite Element Programm PERMAS implementiert. In einem einfachen Zug-Torsionsexperiment wurde eine Hohlprobe mit konstanter Torsion und zyklischer Zugbelastung beansprucht, um die neue Implementierung zu verifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Einspielanalyse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Bei Verfestigung lassen sich wesentlich größere Sicherheiten nachweisen. Dieses Potential bedarf weiterer experimenteller Absicherung. Parallel dazu ist die Eisnpieltheorie auf fortschrittliche Verfestigungsansätze zu erweitern.
The structure of the female pelvic floor (PF) is an inter-related system of bony pelvis,muscles, pelvic organs, fascias, ligaments, and nerves with multiple functions. Mechanically, thepelvic organ support system are of two types: (I) supporting system of the levator ani (LA) muscle,and (II) the suspension system of the endopelvic fascia condensation [1], [2]. Significantdenervation injury to the pelvic musculature, depolimerization of the collagen fibrils of the softvaginal hammock, cervical ring and ligaments during pregnancy and vaginal delivery weakens thenormal functions of the pelvic floor. Pelvic organ prolapse, incontinence, sexual dysfunction aresome of the dysfunctions which increases progressively with age and menopause due toweakened support system according to the Integral theory [3]. An improved 3D finite elementmodel of the female pelvic floor as shown in Fig. 1 is constructed that: (I) considers the realisticsupport of the organs to the pelvic side walls, (II) employs the improvement of our previous FEmodel [4], [5] along with the patient based geometries, (III) incorporates the realistic anatomy andboundary conditions of the endopelvic (pubocervical and rectovaginal) fascia, and (IV) considersvarying stiffness of the endopelvic fascia in the craniocaudal direction [3]. Several computationsare carried out on the presented computational model with healthy and damaged supportingtissues, and comparisons are made to understand the physiopathology of the female PF disorders.
The human arm consists of the humerus (upper arm), the medial ulna and the lateral radius (forearm). The joint between the humerus and the ulna is called humeroulnar joint and the joint between the humerus and the radius is called humeroradial joint. Lateral and medial collateral ligaments stabilize the elbow. Statistically, 2.5 out of 10,000 people suffer from radial head fractures [1]. In these fractures the cartilage is often affected. Caused by the injured cartilage, degenerative diseases like posttraumatic arthrosis may occur. The resulting pain and reduced range of motion have an impact on the patient’s quality of life. Until now, there has not been a treatment which allows typical loads in daily life activities and offers good long-term results. A new surgical approach was developed with the motivation to reduce the progress of the posttraumatic arthrosis. Here, the radius is shortened by 3 mm in the proximal part [2]. By this means, the load of the radius is intended to be reduced due to a load shift to the ulna. Since the radius is the most important stabilizer of the elbow it has to be confirmed that the stability is not affected. In the first test (Fig. 1 left), pressure distributions within the humeroulnar and humeroradial joints a native and a shortened radius were measured using resistive pressure sensors (I5076 and I5027, Tekscan, USA). The humerus was loaded axially in a tension testing machine (Z010, Zwick Roell, Germany) in 50 N steps up to 400 N. From the humerus the load is transmitted through both the radius and the ulna into the hand which is fixed on the ground. In the second test (Fig. 1 right), the joint stability was investigated using a digital image correlation system to measure the displacement of the ulna. Here, the humerus is fixed with a desired flexion angle and the unconstrained forearm lies on the ground. A rope connects the load actuator with a hook fixed in the ulna. A guide roller is used so that the rope pulls the ulna horizontally when a tensile load is applied. This creates a moment about the elbow joint with a maximum value of 7.5 Nm. Measurements were performed with varying flexion angles (0°, 30°, 60°, 90°, 120°). For both tests and each measurement, seven specimens were used. Student ́s t-test was employed to determine whether the mean values of the measurements in native specimen and operated specimens differ significantly.
Effectiveness of the edge-based smoothed finite element method applied to soft biological tissues
(2012)
Smoothed Finite Element Methods for Nonlinear Solid Mechanics Problems: 2D and 3D Case Studies
(2016)
The Smoothed Finite Element Method (SFEM) is presented as an edge-based and a facebased techniques for 2D and 3D boundary value problems, respectively. SFEMs avoid shortcomings of the standard Finite Element Method (FEM) with lower order elements such as overly stiff behavior, poor stress solution, and locking effects. Based on the idea of averaging spatially the standard strain field of the FEM over so-called smoothing domains SFEM calculates the stiffness matrix for the same number of degrees of freedom (DOFs) as those of the FEM. However, the SFEMs significantly improve accuracy and convergence even for distorted meshes and/or nearly incompressible materials.
Numerical results of the SFEMs for a cardiac tissue membrane (thin plate inflation) and an artery (tension of 3D tube) show clearly their advantageous properties in improving accuracy particularly for the distorted meshes and avoiding shear locking effects.