Test optymalizacji ażurowej konstrukcji cylindrycznej z wykorzystaniem narzędzi LS-Opt i HyperMesh



Podobne dokumenty
Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

art. 488 i n. ustawy z dnia 23 kwietnia 1964 r. Kodeks cywilny (Dz. U. Nr 16, poz. 93 ze zm.),

POPRAWKA do POLSKIEJ NORMY. PN-EN :2008/Ap2. Dotyczy PN-EN :2008 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne Część 1: Zasady ogólne

SZCZEGÓŁOWY OPIS PRZEDMIOTU ZAMÓWIENIA

PL B1. POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL BUP 01/11. RAFAŁ TALAR, Kościan, PL WUP 12/13

Kifoplastyka i wertebroplastyka

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA MES ZŁAMANIA SZYJKI KOŚCI UDOWEJ STABILIZOWANEJ GWOŹDZIEM ŚRÓDSZPIKOWYM TYPU GAMMA

... pieczątka firmowa Wykonawcy OŚWIADCZENIE

LABORATORIUM TECHNOLOGII NAPRAW WERYFIKACJA TULEJI CYLINDROWYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Temat: Co to jest optymalizacja? Maksymalizacja objętości naczynia prostopadłościennego za pomocą arkusza kalkulacyjngo.

Lekcja 173, 174. Temat: Silniki indukcyjne i pierścieniowe.

Implant ślimakowy wszczepiany jest w ślimak ucha wewnętrznego (przeczytaj artykuł Budowa ucha

Umowa o prace projektowe Nr

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Opis programu do wizualizacji algorytmów z zakresu arytmetyki komputerowej

2.Prawo zachowania masy

Geomagic Design X jest najbardziej wszechstronnym oprogramowaniem, które umożliwia:

Moduł. Rama 2D suplement do wersji Konstruktora 4.6

PORÓWNANIE WYNIKÓW ANALIZY MES Z WYNIKAMI POMIARÓW TENSOMETRYCZNYCH DEFORMACJI KÓŁ KOLEJOWYCH ZESTAWÓW KOŁOWYCH

Komentarz technik dróg i mostów kolejowych 311[06]-01 Czerwiec 2009

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

Pozostałe procesy przeróbki plastycznej. Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17)

PROJEKT UPRZĘŻY ORTOPEDYCZNEJ DO ODCIĄŻENIA PACJENTÓW W TRAKCIE LOKOMOCJI

wzór Załącznik nr 5 do SIWZ UMOWA Nr /

Objaśnienia do Wieloletniej Prognozy Finansowej na lata

Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

Badanie silnika asynchronicznego jednofazowego

Bielsko-Biała, dn r. Numer zapytania: R WAWRZASZEK ISS Sp. z o.o. ul. Leszczyńska Bielsko-Biała ZAPYTANIE OFERTOWE

TECHNOLOGICZNOŚĆ WYPRASEK

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Projekty uchwał dla Zwyczajnego Walnego Zgromadzenia

Gdynia: Księgowość od podstaw Numer ogłoszenia: ; data zamieszczenia: OGŁOSZENIE O ZAMÓWIENIU - usługi

Regulamin Zarządu Pogórzańskiego Stowarzyszenia Rozwoju

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2014/2015

UCHWAŁA NR RADY MIEJSKIEJ W ŁODZI z dnia

Do Wykonawców. Wrocław, r. ZP/PN/71/2015/WOU/2509

warsztató OMNM ar n medk oafał ptaszewskii mgr goanna tieczorekjmowiertowskai mgr Agnieszka jarkiewicz

Przepisy ogólne. KIERUNEK: SCENOGRAFIA studia pierwszego stopnia (licencjackie) wieczorowe

Świadomość Polaków na temat zagrożenia WZW C. Raport TNS Polska. Warszawa, luty Badanie TNS Polska Omnibus

Automatyka. Etymologicznie automatyka pochodzi od grec.

NOWELIZACJA USTAWY PRAWO O STOWARZYSZENIACH

PL-LS Pani Małgorzata Kidawa Błońska Marszałek Sejmu RP

Urządzenie do pomiaru ciśnienia.

Gruntowy wymiennik ciepła PROVENT- GEO

Techniczne nauki М.М.Zheplinska, A.S.Bessarab Narodowy uniwersytet spożywczych technologii, Кijow STOSOWANIE PARY WODNEJ SKRAPLANIA KAWITACJI

wpisany do...zwany dalej Przyjmującym Zamówienie

Standardowe tolerancje wymiarowe

1.3 Budowa. Najwa niejsze cz ci sk adowe elektrozaworu to:

SPECYFIKACJA ISTOTNYCH WARUNKÓW ZAMÓWIENIA (dalej SIWZ)

USTAWA. z dnia 26 czerwca 1974 r. Kodeks pracy. 1) (tekst jednolity)

Prezentacja Systemu PDR

Wyznaczenie sprawności grzejnika elektrycznego i ciepła właściwego cieczy za pomocą kalorymetru z grzejnikiem elektrycznym

Grupa bezpieczeństwa kotła KSG / KSG mini

Instrukcja Laboratoryjna

Warszawa, dnia 6 listopada 2015 r. Poz ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ROLNICTWA I ROZWOJU WSI 1) z dnia 23 października 2015 r.

TABELA ZGODNOŚCI. W aktualnym stanie prawnym pracodawca, który przez okres 36 miesięcy zatrudni osoby. l. Pornoc na rekompensatę dodatkowych

FORUM ZWIĄZKÓW ZAWODOWYCH

Załącznik Nr 2 do Regulaminu Konkursu na działania informacyjno- promocyjne dla przedsiębiorców z terenu Gminy Boguchwała

Konspekt lekcji otwartej

GPD Gumowe wkłady uszczelniaja ce

Techniki korekcyjne wykorzystywane w metodzie kinesiotapingu

PROCEDURA REKRUTACJI DZIECI DO PRZEDSZKOLA NR 2 PROWADZONEGO PRZEZ URZĄD GMINY WE WŁOSZAKOWICACH NA ROK SZKOLNY 2014/2015

Krótkoterminowe planowanie finansowe na przykładzie przedsiębiorstw z branży 42

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

SubregionalnyProgram Rozwoju do roku Anna Mlost Zastępca Dyrektora Departamentu Polityki Regionalnej UMWM

GENERALNY INSPEKTOR OCHRONY DANYCH OSOBOWYCH

WYBRANE MODERNIZACJE POMP GŁÓWNEGO OBIEGU PARA-WODA ELEKTROWNI

Na podstawie art.4 ust.1 i art.20 lit. l) Statutu Walne Zebranie Stowarzyszenia uchwala niniejszy Regulamin Zarządu.

Studenckie Koło Naukowe Drogowiec

Projektowanie bazy danych

DRGANIA MECHANICZNE. materiały uzupełniające do ćwiczeń. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie

Zagospodarowanie magazynu

W tym elemencie większość zdających nie zapisywała za pomocą równania reakcji procesu zobojętniania tlenku sodu mianowanym roztworem kwasu solnego.

WZÓR UMOWY UMOWA NR. z siedzibą w... NIP nr, REGON... wpisaną do Krajowego Rejestru Sądowego nr... w Sądzie...

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

13. Subsydiowanie zatrudnienia jako alternatywy wobec zwolnień grupowych.

Bądź w pełni sobą. Dlaczego odbudowa nawet jednego brakującego zęba jest tak ważna.

Procedura odwoławcza wraz ze wzorem protestu

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Promieniowanie podczerwone

Wykład 10. Urządzenia energoelektroniczne poprzez regulację napięcia, prądu i częstotliwości umoŝliwiają

PRZEDSIĘBIORSTWO ENERGETYKI CIEPLNEJ I GOSPODARKI WODNO-ŚCIEKOWEJ Sp. z o.o.

Raport z ewaluacji wewnętrznej

U M OWA DOTACJ I <nr umowy>

SYSTEM FINANSOWANIA NIERUCHOMOŚCI MIESZKANIOWYCH W POLSCE

Współczesne nowoczesne budownictwo pozwala na wyrażenie indywidualnego stylu domu..

Metrologia cieplna i przepływowa

Wieluń, r. SAMODZIELNY PUBLICZNY ZAKŁAD OPIEKI ZDROWOTNEJ W WIELUNIU WIELUŃ, UL. SZPITALNA 16

ZP/341/52 /09 Zakopane dnia 17 września 2009 r. W s z y s c y

Karta (sylabus) przedmiotu Inżynieria Biomedyczna Studia stacjonarne pierwszego stopnia o profilu: ogólnoakademickim P

Szczegółowy opis zamówienia

Dr inż. Andrzej Tatarek. Siłownie cieplne

Architektura komputerów

Zamieszczanie ogłoszenia: obowiązkowe. Ogłoszenie dotyczy: zamówienia publicznego. SEKCJA I: ZAMAWIAJĄCY

WNIOSEK O USTALENIE PRAWA DO ZASIŁKU DLA OPIEKUNA

Transkrypt:

Test optymalizacji ażurowej konstrukcji cylindrycznej z wykorzystaniem narzędzi LS-Opt i HyperMesh Łukasz Mazurkiewicz [lukasz.mazurkiewicz@op.pl] Jerzy Małachowski [jerzy.malachowski@gmail.com] Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa STRESZCZENIE Stent kardiochirurgiczny jest to niewielka wewnątrz naczyniowa konstrukcja cylindryczna służąca do leczenia zmienionych miażdżycowo naczyń krwionośnych. Głównym problemem podczas projektowania takiego typu sprzętu medycznego jest dobranie optymalnej geometrii wyrobu tak, aby pojawiające odkształcenia i naprężenia były jak najmniejsze. W wyniku przeprowadzenia procedury optymalizacji otrzymano optymalną wartość zmiennej kształtu, co skutkowało obniżeniem wartości odkształceń plastycznych o ok. 20% w porównaniu z konstrukcją bazową. WPROWADZENIE Rozwój nowoczesnych technik komputerowego wspomagania obliczeń inżynierskich (CAE) pozwala na znaczne poszerzenie zakresu stosowania inżynierii mechanicznej. Jednym z obszarów zastosowania są badania numeryczne niewielkich implantów wewnątrz naczyniowych, jakimi są stenty kardiochirurgiczne. Stent kardiochirurgiczny jest to wewnątrz naczyniowa ażurowa konstrukcja walcowa o niewielkich rozmiarach służąca do leczenia chorób układu krwionośnego człowieka. Stenty stosuje głównie się po zabiegu angioplastyki tętnic, rzadziej do ratowania rozdartego od środka naczynia krwionośnego. Angioplastyka jest metodą leczenia miażdżycy naczyń krwionośnych polegającą na poszerzeniu i udrożnieniu zwężonych tętnic. Podczas zabiegu zwanego inaczej balonikowaniem poprzez nakłucie w tętnicy udowej wprowadza się do tętnicy giętki przewód zakończony specjalnym balonikiem. Po dotarciu do miejsca, które ma być poszerzone do balonika zostaje doprowadzony płyn pod bardzo dużym ciśnieniem. W wyniku tego balonik rozpręża się naczynie zostaje poszerzone, przywrócony zostaje prawidłowy przepływ krwi. Niewątpliwą zaletą angioplastyki jest fakt, że w porównaniu ze skomplikowaną operacja typu by-pass, stosuje się jedynie miejscowe znieczulenie, do przeprowadzenia zabiegu wystarcza niewielkie nakłucie odpowiedniej tętnicy, a czas trwania całego zabiegu wynosi jedynie 30-90 min. Wadą angioplastyki, szczególnie przy zaawansowanych zmianach miażdżycowych jest stosunkowo częste zapadanie się poszerzonej po zabiegu tętnicy zwane restenozą. Skutkiem restenozy jest ograniczenie bądź całkowite uniemożliwienie przepływu krwi, mogące prowadzić nawet do zgonu pacjenta. [1, 2, 3] 1

Obecnie w większości przypadków zabiegowi angioplastyki towarzyszy wprowadzenie stenta wewnątrz naczyniowego, który powoduje znaczne obniżenie ryzyka ponownego zwężenia się leczonej tętnicy z 30-40% do 10-15%. Stanowi on dodatkowe wzmocnienie tętnicy i pozwala na utrzymanie stałego, poprawnego przepływu krwi. Przebieg zabiegu implementacji stenta wewnątrz naczynia krwionośnego został schematycznie przedstawiony na rys. 1 [4, 5, 7]. Rys. 1. Przebieg procesu osadzenia stenta na tętnicy [6] OPIS PROBLEMU Z mechanicznego punktu widzenia stent poddawany jest bardzo dużym odkształceniom podczas osadzania w tętnicy. W celu wprowadzenia do organizmu jego średnica musi być zmniejszona dwukrotnie, a następnie po wprowadzeniu zwiększona do dwukrotnej wartości średnicy początkowej tak by stent mógł pełnić swoją funkcję (rys. 2). Pozostaje on trwale odkształcony i dochodzi do umocnienia plastycznego, a po zdjęciu obciążenia, stent jest on poddawany cyklicznie zmiennemu obciążeniu w postaci ciśnienia tętniczego i pracuje w zakresie sprężystym (efekt Bauschingera). Rys. 2. Schemat obciążenia stenta podczas procesu implementacji w tętnicy: a) geometria początkowa, b) kompresja do średnicy d/2, i c) ekspansja do średnicy 2d 2

Głównym problemem podczas projektowania takiego typu sprzętu medycznego jest dobranie optymalnej geometrii wyrobu tak, aby pojawiające się podczas implantacji i dalszej pracy odkształcenia i naprężenia były jak najmniejsze. W przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych może dojść do pęknięcia stenta. Skutkuje to przebiciem tkanki naczyniowej, a co za tym idzie wylewem krwi do wnętrza organizmu. Aby jednak stent został dopuszczony do pracy w organizmie człowieka musi być zagwarantowany jego minimalny 10 letni okres bezawaryjnej pracy [7]. SYMULACJA NUMERYCZNA MES Do oceny odkształceń trwałych po etapie implementacji wykorzystano metodę elementów skończonych (MES), która jest obecnie jedną z efektywniejszych i bardziej popularnych metod analizy numerycznej konstrukcji. Jest to metoda symulacyjna, której istota polega na zastąpieniu układu ciągłego, jakim jest rzeczywista konstrukcja, układem dyskretnym. Ze względu na charakter pracy konstrukcji obliczenia wykonywane są nieliniowym modułem statycznym. Wybrany model materiałowy konstrukcji stenta to model sprężysto-plastyczny z liniowym umocnieniem [8]. W celu wykonania wytrzymałościowych analiz numerycznych przygotowano odpowiedni model komputerowy stenta w postaci dyskretnej. Za model wyjściowy do dalszych rozważań został przyjęty uproszczony model powtarzalnego wycinka stenta kardiochirurgicznego zaproponowany przez producenta. Dla skrócenia czasu obliczeń oraz uproszczenia procesu zmian kształtu modelu do analizy przyjęto płaski model dwuwymiarowy. Rys. 3. Model numeryczny powtarzalnego fragmentu stanta z nałożonymi warunkami brzegowymi 3

Przebieg symulacji obejmował etap kompresji, a następnie dekompresji zgodnie z rys. 2. Do celów symulacji charakter obciążeń został zmodyfikowany tak, aby odpowiadał rozpatrywanej konstrukcji dwuwymiarowej. Etapy te były realizowane stosując wymuszenie kinematyczne węzłów znajdujących się na górnej krawędzi stena, przy jednoczesnym odebraniu więzów przeciwległej stronie modelu (rys. 3) PROCES OPTYMALIZACJI Do rozwiązania zadanego problemu optymalizacji kształtu implantu zostały wykorzystane techniki optymalizacyjne. W badanym modelu optymalizacji podlega wartość odkształceń plastycznych powstałych podczas pracy stenta, czyli: Jako parametr zmienny przyjęto wybrane promienie zaokrągleń w obszarach tzw. kolanek, gdzie na skutek rozprężania tworzą się przeguby plastyczne decydujące o żywotności danego rozwiązania konstrukcyjnego. W tym celu konieczne było stworzenie zmiennej kształtu z 1 odpowiadającej za zmianę położenia wybranych węzłów, a w konsekwencji zmianę wybranej geometrii modelu. Badane kształty oraz zakres zmian okazano na rys. 4a i 4b. Funkcje ograniczające nie występowały dla tego problemu optymalizacyjnego. a) b) Rys. 4. Miejsca zastosowania zmiennych kształtu a) i zakres zmian geometrii b) Do rozwiązania problemu optymalizacji zastosowano algorytm obliczeń bazujący na algorytmie genetycznym. Model rozwiązania został określony jako model wielomianowy (kwadratowy), a do jego zbudowania użyto 5 punktów symulacji na iterację algorytmu optymalizacyjnego. Czas trwania wszystkich potrzebnych obliczeń na komputerze z wielordzeniowym procesorem wynosił około 2.5 h 4

OPRACOWANA ŚCIEŻKA BADAWCZA Pierwszym etapem było przygotowanie odpowiedniego modelu numerycznego konstrukcji w programie HyperMesh. Następnie konieczne było wygenerowanie pliku wsadowego do obliczeń w systemie LS-Dyna przy użyciu oprogramowania LS- Prepost. Plik wsadowy zawiera opis modelu, warunki początkowo-brzegowe, a także ustawienia i parametry symulacji. Kolejnym etapem było stworzenie zmiennej kształtu odpowiadającej za zmianę położenia wybranych węzłów, a w konsekwencji zmianę wybranej geometrii modelu. Przy użyciu oprogramowania LS-Opt zdefiniowane zostały parametry optymalizacji. Do uzyskania odpowiedzi układu konieczne było stworzenie skryptu do programu LS-Prepost, aby przy każdej symulacji następowało wczytanie odpowiedzi układu w postaci wartości odkształceń plastycznych (plastic strain) w uprzednio zdefiniowanych elementach oraz zastosowanie operatora rysującego krzywą maksymalną w funkcji czasu. Odpowiedzią układu była wartość maksymalna otrzymana z tej krzywej. Rys. 5. Schemat zastosowanej ścieżki badawczej WYNIKI ANALIZ PROCESU OPTYMALIZACJI W wyniku przeprowadzenia procedury optymalizacji zgodnie z algorytmem opisanym we wcześniejszym rozdziale otrzymano optymalną wartość zmiennej kształtu. Skutkiem zmiany kształtu konstrukcji stenta jest obniżenie wartości odkształceń plastycznych o ok. 20% w porównaniu z konstrukcją bazową. 5

Rys. 6. Mapa odkształceń plastycznych w fazie po rozprężeniu otrzymana z symulacji dla wynikowego kształtu stenta WNIOSKI Niniejsza praca pokazuje kolejne etapy rozwijania optymalnej konstrukcji stenta kardiochirurgicznego z wykorzystaniem zaawansowanych metod analizy matematycznej uzupełnionej analizami numerycznymi. Podstawowym kryterium decydującym o trwałości tej konstrukcji jest poziom odkształceń trwałych uzyskiwany po procesie implementacji konstrukcji. Mając na względzie to kryterium zaimplementowano metodę optymalizacji opartą o algorytmy genetyczne. W trakcie przeprowadzonych analiz skupiono się na problemie zmiany geometrii w obszarach tzw. kolanek, gdzie na skutek rozprężania tworzą się przeguby plastyczne decydujące o żywotności danego rozwiązania konstrukcyjnego. Zmniejszenie wartości odkształceń plastycznych pozwoli na stopniowe zwiększenie bezpiecznego czasu pracy stenta kardiochirurgicznego. Opracowana w rezultacie metodyka badań numerycznych oraz opracowane modele w znacznym stopniu zredukują również badania praktyczne bazujące na testach na zwierzętach. LITERATURA 1. http://www.kardioserwis.pl/page.php/1/0/show/158/angioplastyka_tętnic_wieńcowych_balonikowanie_stent _PTCA.html 2. http://www.kardiolo.pl/angioplastyka.htm 3. http://www.kardioserwis.pl/page.php/1/0/show/162/by_passy_cabg_bajpasy_operacja_serca.html 4. http://www.kardiolo.pl/stent.htm 5. http://www.poradnikmedyczny.pl/mod/archiwum/5818_technika_wykonywania_zabiegu.html 6. http://64.143.176.100/library/healthguide/en-us/support/topic.asp?hwid=zm2311 7. T. Niezgoda, W. Szymczyk, J. Małachowski, Numeryczna ocena wytrzymałości stenta naczyniowego, Przegląd Mechaniczny, Nr 12/2002, str. 7-13 6

8. Rakowski G., Kacprzyk Z.: Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 2005. 9. J.O. Hallquist, LS-Dyna. Theoretical manual. California Livermore Software Technology Corporation, 2005. 7