Interaktivní studijní podpory předmětu Biomechanika II zaměřené na tvorbu výpočtových modelů
Tyto studijní materiály vznikly za podpory projektu FRVŠ 2829/2011/G1.
Cílem projektu je vytvoření metodických podkladů pro tvorbu jednotlivých modelů s biomechanikou tématikou, které umožní rozšíření a zkvalitnění výuky předmětu Biomechanika II a závěrečných studentských projektů. Díky umístění vytvořených podkladů na internetu bude zkvalitnění výuky dosaženo bez nárůstu výukových hodin.Interaktivní podklady budou s využitím a prohloubením znalostí studenta z předchozí výuky stimulovat k samostatné studentské práci. Vytvořené materiály budou zpracovány do podoby metodických podkladů a budou poskytnuty pro studenty akreditovaného magisterského studijního oboru M3905-Aplikovaná mechanika.
Biomechanika je v současné době rapidně rozvíjející obor, co do obsahu i do hloubky řešených problémů. Cílem těchto opor je rozšíření a zkvalitnění výuky předmětu Biomechanika II. Pozornost je zaměřena na tvorbu výpočtových modelů (model geometrie, model materiálu a výpočtový model), které se vyskytují v semestrálních a poté závěrečných studentských pracích. Výstupem projektu jsou metodické texty pro tvorbu těchto modelů s využitím moderních zobrazovacích metod (Počítačová tomografie - CT).
Tyto stránky jsou určeny studentům jako studijní opora do předmětu Biomechanika II.
Zhodnocení projektu FRVŠ 2829/2011/G1 je v závěrečné zprávě.pdf
Pro jednotlivé metodické texty byly vytvořeny přílohy formou prezentací a vytvořených videonahrávek. Vypracované metodické texty i přílohy jsou ke stažení níže.
1. Příprava a tvorba STL modelu
Při řešení úloh v biomechanice je potřeba mít dobrou představu o tvaru řešeného objektu. Tuto představu je možné získat pomocí moderních zobrazovacích metod - počítačová tomografie CT a metod zpětné rekonstrukce CT snímků, kdy je možné z CT snímků zpětně vytvořit virtuální 3D model (STL model) sledovaného objektu. Text v této kapitole je zaměřen na tvorbu STL modelů a na přístupy jak STL model vytvořit. Tato kapitola popisuje jak STL model vytvořit pomocí manuální a automatické segmentace.
Text :
Prezentace:
Video:
2. Tvorba modelu geometrie v programech SolidWorks a CATIA
Stereolithography - STL modely jsou pro další kroky v přípravě modelu geometrie důležité, protože nám poskytují informace o tvaru objektu. STL model je vstupní model, který je dále potřeba pomocí CAD/CAM programů přepracovat na objemový model. V této kapitole bude popsán postup jak vytvořit objemový model geometrie. Některá STL data nemusí být dostatečně vhodná a proto je potřebné tyto data tzv. "vyčistit" a připravit pro tvorbu objemových modelů a to buď objemového modelu je možné využít automatických i manuálních metod.
Text :
Prezentace:
Video:
3. Tvorba modelu materiálu pro živé tkáně
Model materiálu živých tkání se v běžné praxi modeluje jako homogenní izotropní lineárně pružný materiál, tedy tzv. Hookovský materiál, jež je určen Youngovým modulem pružnosti E [MPa] a Poissonovým číslem μ [-]. Tyto hodnoty jsou také závislé na stáří kosti tkáně, hustotě. V mnoha oblastech vědecké práce mají tyto hodnoty získané z odborných článků své uplatnění, ovšem v případě, kdy výzkum je prováděn na tkáni, pro kterou je potřeba znát přesné deformačně napěťové charakteristiky, je vhodné použit materiálové hodnoty, jež odpovídají danému zkoumanému subjektu.
V současné době, kdy je model geometrie vytvářen na základě CT snímků, jak je zmíněno v kapitole: Tvorba STL modelu, je možné z CT snímkům, získat materiálové charakteristiky. Tyto charakteristiky odpovídají přímo danému modelu a to na základě intenzity pixelů, neboli CT čísel, které reprezentuje intenzitu tlumení záření rentgenky v závislosti typu tkáně. Na CT snímku je hodnota pixelu reprezentována rozdílnou intenzitou šedé barvy, přičemž pro lidské oko je velmi obtížné rozeznat rozdíly mezi jednotlivými intenzitami pixelu.
Text :
Prezentace:
Vztahy pro převod HU jednotek na Youngův modul:
4. Tvorba výpočtového modelu
Předchozí kapitoly byly věnovány tomu, jak připravit jednotlivé dílčí části pro vytvoření výpočtového modelu řešené součásti. Výpočtový model se skládá z modelu geometrie (tento lze vytvořit přímo ve výpočtovém programu nebo je možné připravit model geometrie v speciálních CAD programech), modelu materiálu (v nejčastějším případě jsou materiálové charakteristiky získány z literatury nebo je možné je určit experimentálně), modelu zatížení a okrajových podmínek a konečnoprvkového modelu. Tato kapitola bude zaměřena na základní vytvoření výpočtového modelu v programu ANSYS a to v klasickém i Workbench prostředí. Tento text si klade za cíl upozornit uživatele na funkce a informace, které nemusí být při tvorbě výpočtového modelu zřejmé.
Text :
Prezentace: