肌肉组织力电耦合及主-被动非线性力学行为S-FEM模拟研究

基本信息
批准号:11902115
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:27.00
负责人:万德涛
学科分类:
依托单位:湖南大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
光滑有限元线性光滑技术力电耦合模型被动非线性力学行为肌肉组织
结项摘要

The muscle tissue is an extremely complex system due to the differences in structural functions, anisotropic hyperelasticity, incompressibility and motility of living tissue. The numerical simulation has become a powerful approach for the study of mechanics properties of this complex system. This project aims to build a coupled electro-mechanical model based on smoothed finite element method (S-FEM), which can improve the efficiency of the pro-process, enhance the computational accuracy, provide systematic estimates of the active-passive behavior of muscle tissues and further reveal the deformation mechanism of muscle tissues. The main contents of this project are: (1) To construct the individualized and precise finite element model based on the CT scan and unstructured meshes and to achieve automatic creation of smoothing domains; (2) A linear smoothed finite element method (LS-FEM) is developed for solving the volumetric locking, pressure oscillation and low convergence within the incompressible problems; (3) An anisotropic incompressible hyperelastic constitutive is introduced into LS-FEM and the coupled electro-mechanical model is established with the consideration of the spatiotemporal evolution of the action potential field. (4) A dynamic explicit program and nonlinear simulation platform based on LS-FEM are developed for the simulation of excitation-contraction coupling in muscle tissues, and to investigate how the arrangement of muscle fibers, damage, etc. influence the active-passive nonlinear mechanical behavior of muscle tissues under the state of non-uniform activation.

肌肉组织因其结构功能差异性,材料各向异性超弹性、不可压缩性及活性组织的能动性而成为一个极其复杂的系统,数值模拟已成为研究这一复杂系统力学特性的重要手段。项目拟建立肌肉组织S-FEM力电耦合数值模型,实现高效的前处理和高精度的求解,对肌肉主-被动力学行为进行更为精准的预测,并进一步揭示其收缩变形机理。项目主要开展以下研究:(1)基于CT图像数据和非结构化网格,对肌肉组织进行个体化、精确化有限元建模,实现光滑积分域的自动生成;(2)发展线性光滑有限元算法(LS-FEM),解决模拟不可压缩问题过程中体积锁定、压力振荡、收敛性低等难点;(3)引入各向异性不可压超弹性本构,并考虑肌肉内部动作电位场时空演化过程,建立肌肉组织力电耦合数值模型;(4)开发模拟肌肉组织兴奋-收缩偶联的LS-FEM显式算法,搭建非线性仿真平台,并研究非均匀激活状态下肌纤维排列方式、损伤等对肌肉主-被动非线性力学行为的影响。

项目摘要

肌肉组织因其结构功能差异性,材料各向异性超弹性、不可压缩性及活性组织的能动性而成为一个极其复杂的系统,数值模拟已成为研究这一复杂系统力学特性的重要手段。项目主要利用梯度光滑技术和弱-弱形式建模,并考虑多种单元类型、时间依赖、肌肉内部动作电位场时空演化过程的非线性粘-超弹性材料及几何非线性大变形,建立非线性固体力学求解程序。依据项目申请书主要开展了以下方面的研究:1)实现了复杂生物组织的个体化、精确化有限元建模,实现光滑积分域的自动生成;2)建立基于多边形单元的光滑有限元方法,并将其拓展至三维问题,建立基于四面体单元的完全拉格朗日选择性光滑有限元显式算法,用以求解三维生物组织粘-超弹性动态大变形问题。实现卷积积分的广义的Maxwell粘-超弹性固体模型和选择性光滑有限元法耦合,使剪切松弛与体积松弛相互独立,使得粘-超弹性本构模型更加灵活;3)发展基于四面体单元的统一实现的光滑有限元算法,用以模拟生物组织的粘超弹性的固体力学问题,并从理论上讨论了其方法的稳定性;4)建立基于统一实现的光滑有限元方法(UI-SFEM),用以求解动脉壁、牙齿矫正和人体脊椎的复杂生物组织的力学行为;5)建立了模拟肌肉组织兴奋-收缩偶联的光滑有限元显示算法。综上,项目通过系列多材料、多组件的生物组织数值算例,对本项目所提算法的计算精度、效率及网格依赖性等进行验证分析。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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