Порівняльний аналіз показників при фізичному та математичному моделюванні вибухового перелому грудопоперекового відділу хребта

Autor: Popsuishapka, К.О., Teslenko, S.O., Yaresko, O.V., Krishnappa, V.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: TRAUMA; Том 17, № 3 (2016); 92-98
ТРАВМА; Том 17, № 3 (2016); 92-98
ISSN: 1608-1706
2307-1397
Popis: The finite element method is numerical modeling method that is widely used in scientific research of the complex systems in biomechanics. Mathematical models newly developed by this method require confirmation of the adequacy of the obtained results and often for this purpose the finite-element models are compared with the experimental (physical) models. The objective was to build the mathematical biomechanical models of the explosive ThXII vertebra fracture and compare their results with those of experimental models. Animal (pig) experimental model of normal ThIX-LV vertebrae and the models of the ThXII vertebra injuries developed in the laboratory of biomechanics of SE «Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology, Academy of Medical Sciences of Ukraine» were taken as a basis data. Four mathematical models corresponding to the experimental models were created: the 1st model was normal ThIX-LV vertebrae; the 2nd model was 50% destruction of the ThXII vertebral body including its posterior part; the 3rd model was a total destruction of the ThXII vertebral body and the adjacent intervertebral disks; the 4th model was a total destruction of the ThXII vertebral body and the adjacent intervertebral disks and posterior supporting complex (arc and partly joints). Geometric models were built in the program SolidWorks, finite element calculations were performed in the program ANSYS, obtained data were statistically processed by T-test for paired samples and correlation analysis. It was found that the 1st and 2nd mathematical models showed fairly close coincidence with the results of experimental models — up to 30 % if the efforts were not more than 150 N, and up to 70 % at a load 200 N. Nonlinear behavior of the experimental models clearly expressed at loads of more than 200 N in contrast to mathematical models. The significant difference of the results of mathematical and experimental modeling due to the nonlinear behavior of the experimental model was found in cases of 3rd and 4th models. In general, the comparative analysis of the behavior of experimental and mathematical models showed the same process directionality, but without a complete coincidence of the obtained data. This means that the mathematical model calculations can show inadequate results at a load of more than 200 N.
В научных исследованиях для сложных систем биомеханики широко используемым методом численного моделирования является метод конечных элементов. При создании новых математических моделей с применением данного метода требуется подтверждение адекватности полученных результатов, и чаще всего для этого проводят их сравнение с экспериментальными (физическими) моделями. Цель исследования — построить математические биомеханические модели взрывного перелома тела позвонка ThXII и провести их сравнительный анализ с экспериментальными моделями. За основу модели была взята экспериментальная модель позвонков ThIX-LV животного (свиньи) и модели разрушений тела позвонка ThXII, разработанные в лаборатории биомеханики ГУ «ИППС им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины». На базе этих моделей были созданы четыре математические модели: 1-я модель — в норме; 2-я модель — с разрушением 50 % объема тела позвонка; 3-я модель — с разрушением всего тела позвонка и смежных дисков; 4-я модель — с разрушением тела позвонка, диска, заднего опорного комплекса (дуги и частично суставов). Построение геометрических моделей проводили в программе SolidWorks, конечно-элементные расчеты — в программе ANSYS, статистическую обработку полученных данных выполняли методами Т-теста для парных выборок и корреляционного анализа. Установлено, что у 1-й и 2-й математической модели обнаружено достаточно близкое совпадение результатов с экспериментальными моделями — до 30 % при усилиях, не превышающих 150 Н, и до 70 % при усилиях в 200 Н. При нагрузке свыше 200 Н в экспериментальных моделях, в отличие от математических, четко выражено нелинейное поведение. У 1-й и 2-й математической модели обнаружено существенное различие результатов с экспериментом вследствие нелинейного поведения экспериментальной модели. В целом сравнительный анализ поведения экспериментальной и математической моделей выявил одинаковую направленность процессов, но без полного совпадения полученных данных. Это значит, что расчеты на математической модели при нагрузке свыше 200 Н могут показывать неадекватные результаты.
У наукових дослідженнях для складних систем біомеханіки широко застосованим методом чисельного моделювання є метод кінцевих елементів. Після створення нових математичних моделей із використанням даного методу потребується підтвердження адекватності отриманих результатів, найчастіше для цього проводять їх порівняння з експериментальними (фізичними) моделями. Мета дослідження — побудувати математичні біомеханічні моделі вибухового перелому тіла хребця ThXII та провести їх порівняльний аналіз з експериментальними моделями. За основу моделі була взята експериментальна модель хребців ThIX-LV тварини (свині) та моделі руйнування тіла хребця ThXII, розроблені у лабораторії біомеханіки ДУ «ІПХС ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України». На базі цих моделей були створені чотири математичні моделі: 1-а модель — у нормі; 2-а модель — із руйнуванням 50 % об’єму тіла хребця; 3-я модель — із руйнуванням усього тіла хребця та суміжних дисків; 4-а модель — із руйнуванням усього тіла хребця, суміжних дисків, заднього опорного комплексу (дуги та частково суглобів). Побудову геометричних моделей проводили у програмі SolidWorks, кінцево-елементні розрахунки — у програмі ANSYS, статистичну обробку отриманих даних виконували методами Т-тесту для парних вибірок та кореляційного аналізу. Установлено, що в 1-й та 2-й математичних моделях спостерігається достатньо близький збіг результатів з експериментальними моделями — до 30 % в умовах зусиль, не перевищуючих 150 Н, та до 70 % за умови зусилля 200 Н. У разі навантажень понад 200 Н в експериментальних моделях, на відміну від математичних, чітко виражена нелінійна поведінка. У 3-й та 4-й математичних моделях виявлена істотна різниця результатів з експериментом унаслідок нелінійної поведінки експериментальної моделі. Отже, порівняльний аналіз поведінки експериментальної та математичної моделей виявив однакову спрямованість процесів, але без повного збігу отриманих даних. Це означає, що розрахунки на математичній моделі в разі навантаження понад 200 Н можуть показувати неадекватні результати.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: