多场耦合 | CAE告诉你“脑子进水”是什么感觉

学术   2024-11-07 22:25   江苏  
这是“外星人”马斯克的大脑

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这是“天才少年”小编的大脑

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没错!小编“脑子进水”了!

真的会有“脑子进水”吗?医生朋友给出了肯定的回答。“脑子进水”是脑脊液阻塞形成的脑积水,严重时可将脑组织压扁,将脑壳撑得像气球,导致脑功能受损,出现头疼、恶心、痴呆、失禁、行走障碍等症状。

吓的小编赶紧晃了晃进水的大脑,趁着症状较轻意识还算清醒,采用空隙压力-热力耦合单元,多孔介质有限元仿真技术模拟“脑子进水”导致头部扩张的过程,以期告知可爱的小伙伴们“脑子进水”是什么感觉。

模型建立

通过计算机断层扫描(CT)获得大脑断层的轴向截面,基于MRI图像重建脑子三维模型采用平面应变假设,遵循点->线->面->网格,建立脑脊髓流体动力学有限元模型。

采用能够利用非局域场的CPT212单元,模拟结构-孔隙-流体-扩散-热分析,以及结构隐式梯度正则化等多场耦合物理现象。命令流如下:
et,1,212keyopt,1,3,2keyopt,1,12,1keyopt,1,11,1
材料设置

合理的材料特性对于获得良好的模拟结果至关重要,特别是多孔介质和热特性。采用新胡克超弹性材料本构模型,指定各向同性脑渗透性,通过超弹性材料的耦合单元来求解位移、孔隙压力和温度。

(1) 定义Neo-Hookean超弹性,命令流如下:

tb,hyper,1,,,NEOtbdata,1,3000,0.005fpx=4.8e-8
(2) 指定各向同性脑渗透性,命令流如下
tb,pm,1,,,permtbdata,1,f

(3) 为大脑分配1.0的Biot系数,命令流如下:

tb,pm,1,,,biottbdata,1,1.0
(4) 考虑热效应,命令流如下:
mp,alpx,1,4.14e-5mp,reft,1,0mp, dens , 1, 900tb, therm, 1,,, condtbdata,1,500tb, therm, 1,,, sphttbdata,1,3000
边界条件

对于横截面的外表面,X和Y向施加固定约束。对于横截面的内表面,施加39°C温度边界和166.61Pa的压力载荷。孔隙压力为零,人体初始温度为37°C。命令流如下:

DL,ALL,,UX,0DL,ALL,,UY,0DL,ALL,,Pres,0d,all,temp,37.0SFL,ALL,PRES,166.61d,all,temp,39.0
分析设置

采用适用于含结构和流体孔隙压力的SOIL分析类型。由于使用了超弹性材料,因此开启大变形。在组合结构-热载荷作用下,使用耦合孔隙压力热单元对正常压力脑积水进行非线性分析。命令流如下:

antyp,soilkbc,1eqslv,sparse  !稀疏矩阵求解器nlgeom,on     !打开非线性rate,on                       outres,all,all time,1nsubst,50,100000,10solvefini
计算结果

压力扩张导致变形结果,如下图所示。最大变形集中在心室周围。

压力扩张导致应力结果,如下图所示。最大应力发生在脑室上下尖端处。

写在最后:“脑子进水”虽然是一种脑部疾病,但是可以通过外科手术将多余的脑脊液引流出来治愈。大脑有很强可塑性,即使被严重挤压变形,也会慢慢恢复原状,不会留下后遗症。

参考资料:

[1] 公众号:芷行说. “脑子进水”怎么用有限元分析.

[2] 知乎:龙飞宇. 案例50-用超弹性材料分析法向压力脑积水.

[3] Shahim, K., Drezet, J.-M., Molinari, J.-F., etc. Finite element analysis of normal pressure hydrocephalus: Influence of CSF content and anisotropy in permeability. Applied Bionics and Biomechanics. 2010, 7.3:187-197.

[4] ANSYS2020官方示例清单. Normal-Pressure Hydrocephalus Analysis Using Hyperelastic Material.


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