مدل سازی و تحلیل المان های محدود سه بعدی پاسخ سامانه مغز- جمجمه انسان در برابر بارهای ضربه ای

در فصول ابتدایی از این تحقیق به طور کلی به بیان تاریخچهی کوتاهی در ارتباط با کارهایی که در زمین? بیومکانیک سر انسان شامل بررسی رفتارهای این سیستم تحت بارهای ضربه و همچنین رفتار ارتعاشاتی این سامانه در اثر محرکهای خارجی پرداخته شده است. ابتدا به بررسی اهمیت موضوع پیش رو در ارتباط با آسیبهایی که به سر وارد میشود و هزینه هایی که از لحاظ جانی و مالی در بر دارد میپردازیم. سپس به بررسی گذشته رفتار موادی که برای شبیه سازی بافتهای سر شامل : بافت سخت جمجمه، بافت نرم مغز و همچنین قسمتهای دیگری که در مدل سازی این سامانه در نظر گرفته شده است، به صورت مفصل پرداخته خواهد شد. در این راستا روند تکمیلی مدلهای ارائه شده برای این مواد بررسی میشود. در مرحله بعد انواع آسیب روی بافت مغز بررسی خواهد شد، در این بررسی کارهایی که تا کنون صورت گرفته اند و معیارهای موجود برای آسیب معرفی می گردند. در ادامه 3 نوع مدل سازی (تجربی، ریاضی، المان محدود) صورت گرفته برای سیستم جمجمه و مغز معرفی میگردد و تاریخچه پیشرفت این مدلها در سالهای اخیر بررسی میشود. این 3 مدل شامل : روشهای تجربی که تا کنون مورد آزمایش قرار گرفتهاند، مدل سازی های ریاضی که با ساده سازیهای انجام شده ارائه شده اند و مدل سازیهای المان محدودی که تا کنون برای هندسه سر انسان جهت تحلیلهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفتهاند، میباشد. در انتهای بیان پیشینه موضوع، هدف از انجام پروژه کنونی و ایدههای به کار رفته در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش دوم از این تحقیق به طور کلی به بررسی اهمیت موضوع آسیبهای سر و برآورد هزینه های ناشی از آن پرداخته شده است. در ادامه بررسی مختصری دربارهی آناتومی قسمت های مختلف سر انسان، از جمله جمجمه، مغز و قسمتهای مهمی که در تحلیلها به کار رفته و بررسی آنها در مدل سازیها جهت دستیابی به نتایج دقیقتر ضروری و موثر میباشد پرداخته شده است. در بخش بعد از این مطالعه جهت تعیین مشخصات مادهای با رفتار دینامیکی سازگار با بافتهای نرم به بررسی روابط حاکم بر مواد هایپرالاستیک پرداخته شده است. ابتدا روابط مربوط به تنش کرنش و سپس روابط مربوط به تعادل استخراج شده اند. همچنین توابع انرژی مربوط به مواد هایپرالاستیک مورد بررسی قرار گرفته است، و روابط برای استخراج معادلات المان محدود مورد استفاده قرار گرفتهاند و بسط داده شدهاند. در انتهای این قسمت مواد هایپرالاستیک بر اساس دسته بندیهایی که صورت گرفته است، با توجه به ویژگیهای آنها به وسیله 2 روابط حاکم بر آنها معرفی شدهاند. در بخش بعد از این تحقیق ابتدا به مدلسازی ریاضی ارتعاشات سامانه جمجمه - مغز پرداخته شده است. در این مدل سازی از مدل کروی برای شبیه سازی هندسه جمجمه و مغز استفاده شده و از خواص ویسکوالاستیک برای شبیه سازی بافت نرم استفاده شده است. در ادامهی این بخش به بررسی ساده سازیهای صورت گرفته و استخراج معادلات المان محدود مربوط به مواد هایپرالاستیک پرداخته شده است. در این مرحله معادلات المان محدود استخراج شده و به صورت ماتریس ارائه شده اند. در فصل پنجم مدل های المان محدود ساخته شده برای سر انسان ارائه شده اند. این مدلها شامل دو قسمت : مدل کروی و مدل با هندسه واقعی میباشد. در انتها نیز 4 مدل از مواد هایپرالاستیک استفاده شده برای شبیه سازی رفتار دینامیکی بافت مغز مورد بررسی قرار گرفتهاند و روابط حاکم بر آنها برای استفاده در تحلیلهای صورت گرفته، ارائه شده است. در فصل ششم به بررسی نتایج حاصل شده از مدل سازی دینامیکی سامان? جمجمه و مغز انسان پرداخته شده است، با توجه به تحلیلهای صورت گرفته نتایج شامل تحلیل مربوط به مدل ارتعاشاتی ساخته شده و شبیه سازی صورت گرفته برای ضربه بر روی سر انسان می باشد. در قسمت مربوط به مدل سازی ارتعاشات سر انسان نتایج بدست آمده از حل عددی با نتایج حاصل شده توسط شبیه سازی صورت گرفته در نرمافزار انسیس مورد مقایسه قرار گرفته است. در بخش دوم از نتایج که مربوط به 8 نوع مدل سازی صورت گرفته برای سر انسان میباشد، با نتایج تجربی موجود اعتبار سنجی شده است. در این مدل سازیها مدل ابتدا مدل مربوط به هندسه کروی سر انسان و سپس مدل با هندسه واقعی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها نیز با توجه به شتابهای حاصل شده از ضربه معیار آسیب سر انسان مورد بررسی قرار گرفته است.