Parameter optimization process of tendon from experimental data
Makkonen, Erik (2018)
Kandidaatintyö
2018
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018082333987
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018082333987
Tiivistelmä
In the study material parameters are being determined for finite element (FE) model of rat Achilles tendon. A tensile test has been done with a part of real rat Achilles tendon from which time, displacement and force data is taken. Optimization code and tensile test for the tendon have been made earlier. The purpose of this thesis is to find out how the optimization code works and whether it will give usable results for FE programs.
In the code a corresponding 2D FE model is created for which a simulated tensile test is performed. The results of the simulated and experiment tensile tests are compared and model parameters are changed in the appropriate direction as many times as needed to get as close to the experiment tensile test values as possible. Finally, the code draws force-time curve that has the experiment values and the curve generated by the optimized parameters.
The study found out that the code gives close parameter values for FE model when the simulated tensile test is performed. The simulated tensile test provides a nonlinear force-time curve that is close to the experiment tensile test. The optimized parameters provided by the code can be used in the biomechanics of the FE programs, but they are probably not yet fully correct. Similar or even the same code can be used with the same experimental arrangement in other biomechanical situations. Required arrangements are time, displacement and force data and geometry of the tested piece to find the appropriate parameters for the FE programs. Työssä tutkitaan materiaaliparametrien määrittämistä rotan akillesjänteestä luodulle elementtimenetelmämallille. Oikealle rotan akillesjänteen koepalalle on tehty vetokoe, josta on otettu ylös aika, venymä ja voima. Tutkimukseen liittyvä optimointikoodi ja vetokoe jänteelle ovat tehty aikaisemmin. Työn tarkoituksena on selvittää, kuinka optimointikoodi toimii ja antaako se hyödynnettäviä tuloksia elementtimenetelmäohjelmia varten.
Koodissa luodaan oikeaa jännettä vastaava 2D elementtimenetelmämalli, jolle suoritetaan simuloitu vetokoe. Simuloidun ja oikean vetokokeen tuloksia vertaillaan ja mallin parametrejä muutetaan sopivaan suuntaan niin monta kertaa, että päästään mahdollisimman lähelle oikean vetokokeen arvoja. Lopulta koodi piirtää voima–aika-kuvaajan, jossa on alkuperäiset tilapisteet sekä koodin optimoimien parametrien avulla saatu käyrä.
Tutkimuksessa selvisi koodin antavan lähelle oikeita parametrejä elementtimenetelmämallille, kun sille suoritetaan simuloitu vetokoe. Simuloidulla vetokokeella saadaan epälineaarinen voima–aika-käyrä, joka kulkee alkuperäistä vetokoetta mukaillen. Koodin antamia optimoituja parametrejä voidaan hyödyntää elementtimenetelmäohjelmien biomekaniikan kohteissa, mutta ne eivät ole välttämättä vielä täysin oikeita. Samantapaista tai jopa samaa koodia voidaan käyttää samoilla koejärjestelyillä muissa biomekaniikan tilanteissa. Vaadittuihin koejärjestelyihin tarvitaan mitattuja tilapisteitä ja alkuperäisen kappaleen geometria, kun halutaan selvittää koodin avulla elementtimenetelmäohjelmille sopivia parametrejä.
In the code a corresponding 2D FE model is created for which a simulated tensile test is performed. The results of the simulated and experiment tensile tests are compared and model parameters are changed in the appropriate direction as many times as needed to get as close to the experiment tensile test values as possible. Finally, the code draws force-time curve that has the experiment values and the curve generated by the optimized parameters.
The study found out that the code gives close parameter values for FE model when the simulated tensile test is performed. The simulated tensile test provides a nonlinear force-time curve that is close to the experiment tensile test. The optimized parameters provided by the code can be used in the biomechanics of the FE programs, but they are probably not yet fully correct. Similar or even the same code can be used with the same experimental arrangement in other biomechanical situations. Required arrangements are time, displacement and force data and geometry of the tested piece to find the appropriate parameters for the FE programs.
Koodissa luodaan oikeaa jännettä vastaava 2D elementtimenetelmämalli, jolle suoritetaan simuloitu vetokoe. Simuloidun ja oikean vetokokeen tuloksia vertaillaan ja mallin parametrejä muutetaan sopivaan suuntaan niin monta kertaa, että päästään mahdollisimman lähelle oikean vetokokeen arvoja. Lopulta koodi piirtää voima–aika-kuvaajan, jossa on alkuperäiset tilapisteet sekä koodin optimoimien parametrien avulla saatu käyrä.
Tutkimuksessa selvisi koodin antavan lähelle oikeita parametrejä elementtimenetelmämallille, kun sille suoritetaan simuloitu vetokoe. Simuloidulla vetokokeella saadaan epälineaarinen voima–aika-käyrä, joka kulkee alkuperäistä vetokoetta mukaillen. Koodin antamia optimoituja parametrejä voidaan hyödyntää elementtimenetelmäohjelmien biomekaniikan kohteissa, mutta ne eivät ole välttämättä vielä täysin oikeita. Samantapaista tai jopa samaa koodia voidaan käyttää samoilla koejärjestelyillä muissa biomekaniikan tilanteissa. Vaadittuihin koejärjestelyihin tarvitaan mitattuja tilapisteitä ja alkuperäisen kappaleen geometria, kun halutaan selvittää koodin avulla elementtimenetelmäohjelmille sopivia parametrejä.