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生物力学有限元分析软件MedFea 1.0beta版

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发表于 2011-3-31 12:56:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_73.jpg * e0 v4 m8 `* ?/ b# _3 @* R7 U5 n
业务联系 HuangSteve@sohu.com# _" P5 V2 j$ J/ E$ m6 F' v/ J
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_2.jpg ' q" ^0 s8 d) t
1         基于生物力学模型的有限元分析概述) V; Q+ x/ k! d% C0 n3 [5 y
随着有限元技术的发展,有限元在医学研究中的应用也越来越深入。由于生物组织材料具有不可压缩性、非线性、粘弹性、塑性与各向异性等力学性质,精确构造其力学模型是相当困难的,且计算复杂,难于满足实时性,因此针对生物组织的三维非线性有限元分析将是前瞻的与充满挑战性课题。+ r$ N3 @% `& k& h
- n% E. `( w$ ~) I/ o* s* P
尽管有限元分析技术在工程中得到广泛应用,但在生物医学中应用尚处于初始阶段。目前几乎没有专用于生物组织的有限元力学分析开发包或软件,也没有成熟的有限元分析商业软件(如Ansys,abaqus等)提供专用于生物力学的有限元模型分析功能,因此研究生物力学模型与开发针对生物组织的有限元力学软件成为当务之急。4 R. v# e% f; V  F  y  l% c% ?4 k
# U( T$ \9 y  z. f0 s
经过近五年(2007~2011)奋战,本团队开发出专用于医学类生物力学分析的有限元软件MedFea(1.0beta版),其提供完整有限元分析功能,同时简化有限元分析步骤,用户能够快速学以致用。同时结合本团队所开发医学图像与生物模型处理软件MedSys的图像处理功能,便可实现一体化处理流程:
/ q* x" F0 q. @# `* E0 n& K, D; `" u# B5 b
图像处理(如分割,配准等)[MedSys] à 网格处理(如重构,简化与划分等)[MedFea] à 有限元前处理(如边界条件,载荷与分析步等)[MedFea] à 有限元分析[MedFea] à有限元后处理(如动画与录制等)[MedFea]。1 i. V9 S  Y1 [% Y( |
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_9.jpg 7 H, [4 Q) u& A6 \
) G; g1 T7 [8 T! j1 ?
此外,本团队开发的医学图像与生物模型处理软件处于后期开发与调试阶段,预期三个月后发布MedSys1.0beta版本,同样欢迎试用。在MedSys1.0后版本将会实现生理信号分析功能,目前生理信号分析算法也在改进中。7 g: L2 l- Y% Q- A
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_11.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_12.jpg % N7 S0 F4 n+ m; W6 R! o( @
2         生物力学有限元分析软件MedFea1.0功能
; P1 z& ~8 G8 ^2 I6 ~& I0 v2.1   MedFea1.0功能" B- R% D, W4 W+ Q% o& v
MedFea包括主页、图像、面网格、框网格、体网格、前处理、分析与后处理等模块,其中/ `0 X' ]  c$ V7 F* P' h/ e
' e9 V. A. ~, E: F
(1)  主页模块用于文件导入、视图设置与面板控制等;
- t( B# w; g5 C# F! R9 F4 I  I$ e2 e% \) G. k* |
(2)  图像模块用于查看与管理图像,MedFea并没有图像处理功能(可使用医学图像与生物模型处理软件MedSys),其主要结合图像来进行材料赋值操作;; C+ a. M  D0 C2 x$ [: Z, q

' s  \  y! j1 [0 \5 p( ^(3)  面网格模块用于面网格相关处理,包括面重构与四面体网格划分等;- u; a# p/ {) L" D0 `3 L% l3 _' b7 T

  |% S3 F0 i0 w( f# Y3 H! F(4)  框网格模块用于六面体网格划分等;
9 b( x+ i$ m& A" p9 n& U$ J" b# O' g& |- \: E
(5)  体网格模块用于评估网格质量、选择集合(单元集、结点集、面集与边集)与材料模型创建及其关联赋值等;- a* E% N" v2 H8 T) C$ ^7 W

5 f8 f. W& }( p4 ]% G7 k(6)  前处理模块用于边界条件、载荷、连接接触、刚性约束、初始条件与分析步等设置;
) f) }5 n( b3 e$ Z
% r' [3 f) G& I4 t4 B* K# a(7)  分析模块主要用于有限元分析;
6 A/ U: q* K7 n2 o+ S' w1 j! e# V. q+ |. I
(8)  后处理模块主要用于查看、动画播放、录制与导出分析结果等;
9 w$ m( y# e) l0 P1 ^" a7 |* [( U
下面通过两大实例来描述软件处理流程与相关模块功能应用:
$ z# x/ t6 m% f' M5 H. p
" `7 x  {5 @9 x$ u4 `; c& G2 H5 K面网格处理(如重构,简化与四面体划分等)/框网格处理(如六面体划分等) à 体网格处理(如质量评估等) à 有限元前处理(如边界条件,载荷与分析步等) à 有限元分析 à 有限元后处理(如动画与录制等);5 O) G( c; z1 F) g( _8 P( q# l: E

. \5 K; U3 {; }$ q% b6 E1 `# G2 V2.2   分析实例1" G# }" Y5 ?# e- K- s0 g
本实例主要分析骨头受力情况,实例中固定骨头一侧,而另一侧指定位置施加作用力。分析前先使用MedSys软件进行图像分割与生成面网格模型,并导出stl格式面网格。4 f0 x" r: k9 V* a7 S9 ~, |
1 R9 A2 z- D9 p
1)       导入面网格1 _1 {. M7 r% y& M
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_24.jpg
# q) p$ x: k6 g0 b/ V2)       重构面网格。导入面网格后则可进行面网格优化处理。MedFea提供面重构技术可以有效提供面网格质量,其重构后面网格单元近似等边形。重构面网格也可以用于消减网格单元。
1 ]4 D: Y/ e( D( C& d. |$ ]
3 [+ \5 z- h( zMedFea面重构算法经过持续更进,其相当成熟与高效。下图为面网格(64772单元数与166607结点数)重构前后结果:2 S. J3 M7 }$ G
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_39.jpg 3 ~# I7 w8 O: J- j' t, {) c6 p% v
3)       网格划分。对面网格进行网格划分,得到体网格。
. F2 r% @( I  t8 r* e, A7 ~+ }- `6 n 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_40.jpg " q! S8 @$ t9 Y
4)       网格质量评估。网格划分后则可以通过质量评估来评估其体网格质量,高质量网格才能保证后续有限元分析完成。若网格质量不高,则可重新设置参数进行网格划分,或选择其它网格划分算法,直到满意为止。
" R, i9 X' Q+ C- Q 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_41.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_42.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_43.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_44.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_45.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_46.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_47.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_48.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_49.jpg
9 [! k+ {, c& w! w5)       选取结点集。选取结点集nodeset1与nodeset2,其分别用于边界条件与载荷。' X6 [4 d2 u& m9 l- E' O& ]
2 G: |7 r/ l# p3 @$ e! T  z8 e0 t
6)       材料模型。MedFea自动生成默认材料模型Initial_Materials与默认单元集Initial_Elements(其包括体网格中全部网格单元)。选择Initial_Materials与Initial_Elements,并点击菜单进行关联,即设置体网格中全部网格单元的材料模型为Initial_Materials。; D# Y! V; g6 c) \" Q, k# Y

7 F5 |; k% T; n, s* ~+ N( `- I7)       添加边界条件。设置结点集nodeset1的位移x/y/z为固定位移,即设置其值为0,其意义该结点集中结点在分析过程中位移保持不变。
) ], W4 I+ X" l5 g* \1 c, Y* q! A1 \/ K2 k2 W! s
8)       添加载荷。设置结点集nodeset2的z方向作用力为-100,其意义该结点集中结点受到作用力(0,0,-100),即作用力大小为100,方向为-z。
$ t$ P0 ]+ L( e! b) a% {# y3 i" z
9)       添加分析步。MedFea默认创建全局分析步,但至少还需要创建一个计算分析步。其中设置线性算法为SuperLU。. d- _* N$ Z" g4 A

6 `3 D. _7 U* ^5 l& s; Z8 t1 A10)    有限元分析$ U, b7 \& U7 K

9 _, G* t* Q# R5 V' j11)    后处理  
* Y# J0 b* r2 p 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_50.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_51.jpg 8 v' [8 s+ f( A+ [: Q( D7 k6 S
  
$ O. @) a  O2 C7 |: a9 j1 ]/ V1 J$ U% ]  g5 m" d/ O% w  P" C
" P( Z0 _0 p0 b2 h/ i

' y+ j" |9 ?/ J( |& F
0 s) ]9 u( ^7 G# ^- c. r1 ?* L3 P& ~
2.3   分析实例23 a' _$ w* o, M5 ?" B
本实例主要模拟两根血管相交移动与形变过程,并分析其形变过程中各应力等。实例中固定一血管两端x/y/z方向,另一血管两端y/z方向,而x方向可自由移动,并设置其预期移动-6;同时设置连接接触面来避免两血管在移动过程出现交错现象,并设置接触面相关摩擦参数等。- t" M; j: Q, |+ k9 w
7 v, o% u) y+ h2 V% n: T
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_53.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_54.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_55.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_56.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_57.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_58.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_59.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_60.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_61.jpg 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_62.jpg 5 G- x* B4 \- j# A7 K! G( c
- h; B+ l0 t2 B9 s' Y) W4 o. g
1)       导入体网格,本实例中直接导入六面体网格,故不需要再进行网格划分等;' p# w# \+ X" ]# G
* D1 u: H  v9 X% z* W
4 R1 ?1 C" Z7 T8 g2 s. U6 U, m

. r3 @) V5 W2 T" E- I$ f
% `! U$ H! E: }3 }! ?" X2)       选取结点集。分别选取两根血管的两端结点集cbknodeset1与cbknodeset2,其将用于边界条件中固定约束中;
+ O9 O5 Q8 b: f" t
/ s1 U, W: D3 k
- i' Q7 _+ o$ d' U1 S" V
- F5 L' q/ {/ m5 A6 u7 r# z+ A) |$ s7 Q  S! `+ K3 I
3)       选取单元集。分别选取两根血管的单元集cbkelset1与cbkelset2,其将用于材料模型赋值,即每根血管分别使用不同材料模型;, F2 C; K, ~# Z+ I. v
# I% n7 J: q2 A  |
* c7 F! N$ A8 n. Z7 F
+ O1 F5 {* {4 I- L+ K

) @9 `$ \% a8 |6 }4)       选取面集。分别选取两根血管相互接触部分的面集cbkfaceset1与cbkfaceset2,其将用于连接接触处理;2 u/ f2 L6 U0 ~! V
8 N0 k" B  `5 S) {
5)       创建材料模型。分别创建两类材料模型cbknh1与cbknh2;点击面板中按钮控件,并选择材料模型类型与输入材料模型名称则可创建材料模型对象;其中材料模型ID值不需要用户输入,也不能修改,软件自动分配与维护; 然后设置材料模型参数,直接修改属性窗体控件中控件值即可生效;最后设置单元集的材料模型,即并联单元集与材料模型,选择单元集与其对应材料模型则可赋值;+ p4 g9 K& {8 Y4 R' e+ L
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_63.jpg * ]4 b- i. o" W2 `. G
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_64.jpg ! p- q$ V+ W5 V! Z
生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_65.jpg # f* L( H5 u8 e& G- w
6)       添加边界条件。在MedFea有限元分析前需要设置相关边界条件、载荷与连接(接触)及分析步等。添加结点集cbknodeset1的x/y/x方向为固定约束,即均设置其值为0; 设置后点击按钮应用; 同时添加结点集cbknodeset2的y/x方向为固定约束,即均设置其值为0;而设置其x为规定约束,即设置-6值,其非0意义是该结点集当且仅当在x方向上移动;
8 W$ E9 F7 l: p/ b" S/ S! M( V* g6 q  X/ ~0 G9 r; n

* S6 o7 L- c( _7 S* D7 X8 b5 h. H 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_66.jpg ( |9 Z. y- _) k6 k% `  W
( ^) c! t* W6 X0 \6 ?+ O
3 p7 E6 ]% ]& Z7 x5 _# p
7)       添加连接接触。添加连接接触面来避免两血管在移动过程出现交错现象;点击连接面板中按钮则可创建连接接触对象,选择连接接触类型并设置接触相关参数,如摩擦系数与选择接触面等,其中接触面为前面所选取面单元集cbkfaceset1与cbkfaceset2。
; h# L* V9 A/ S. t, K; [3 X, }
6 |' a% I- Z: A# W 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_67.jpg ( ~$ z" R5 M) S' r5 Z( Y- Q2 ^
! R! }# I1 [: w" m8 N4 a

5 l/ Y9 h" s. x% K: Y8)       添加分析步。创建与设置分析步,其中全局分析步(初始分析步)默认生成,并且用户至少还需要创建一个分析步。所有作用于全局分析步的边界条件、载荷与连接接触等均全局有效,否则仅指定分析步分析过程有效。
4 B6 Q4 `& Q4 ^2 d: l( t3 {- n 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_68.jpg
, R! a+ }% ]; n: _: X
" W" T. [& i0 f: K9)       有限元分析。选择模型并点击分析计算即可,当然可以在分析前查看有限元文件,其使用vtk文件格式。
% b- N6 }4 [- B7 n3 k+ {/ o 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_69.jpg
: ~* Z& z' U. y- q10)    有限元后处理。
7 D; a+ }* @$ [+ K1 f8 l: e 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_70.jpg - U* Z. J- Y! h" L
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5 H$ @+ c! Y6 x$ X% k
: d) @8 j7 l) s 生物力学有限元软件MedFeaV1.0beta_img_72.jpg 9 G9 @% I+ T3 i, `

! E; _4 u, @1 c! j/ L* \6 U5 B1 d) q, N4 [
/ w: x; G8 B, G8 H2 l* r# \
" P4 C) g. |, f: d+ S. T

1 b7 D. ~9 a3 t* z0 z7 q+ l# }# b6 @) p+ b3 `7 `/ h

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