Магистерский диплом (ВКР) на тему Компьютерное моделирование напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации

Содержание:

Список использованных сокращений и обозначений 3

Введение 4

Глава 1 Анализ отрасли производства аппаратов внешней фиксации для тела человека 7

1.1 Предназначение аппаратов внешней фиксации и особенности конструкций 7

1.2 Особенности проектирования аппаратов внешней фиксации и обзор программных продуктов для данной предметной области 11

1.3 Выделение нерешенных ранее частей проблемы и постановка задачи на данное исследование 15

Выводы 16

Глава 2 Разработка алгоритмической составляющей системы исследования напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 18

2.1 Разработка требований к информации, обрабатываемой системой 18

2.2 Создание алгоритмов использования системы исследования напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 20

2.3 Обоснование выбора инструментальных средств для исследования напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 23

2.3.1 Средства для формирования входной информации для процесса моделирования 23

2.3.2 Программные продукты для моделирования напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 29

2.3.3 Инструменты для визуализации результатов моделирования 35

Выводы 41

Глава 3 Практическое исследование напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 42

3.1 Создание примера модели аппарата внешней фиксации 42

3.2 Моделирование напряженно-деформированного состояния спроектированного аппарата 43

3.3 Реализация средства визуализации результатов исследования 47

3.4 Оценка эффективности созданной программной системы исследования напряженно-деформированных состояний аппаратов внешней фиксации 49

Выводы 50

Заключение 51

Список использованных источников 53

Приложение А. Общий вид разработанного аппарата внешней фиксации 56

Приложение Б. Исходный текст файла Form1.cs. 57

Введение:

Как известно, тело человека при экстремальных внешних воздействиях, к сожалению, подвержено разнообразным травмам, среди которых значительное место отводится переломам крупных костей конечностей: бедренной и берцовых костей, плечевой, локтевой и лучевой костей. Часто при переломе достаточно наложения гипса, однако, в сложных случаях, когда разрушенными могут быть целые участки костной ткани, для правильного и относительно быстрого срастания поврежденных костей больному устанавливают аппарат (аппараты) внешней фиксации (далее – АВФ). Так называют устройства, иммобилизирующие части костей в определенном пространственном взаимном расположении, которое является наиболее целесообразным на данный момент времени по мнению лечащего врача-ортопеда для задач остеосинтеза. Устройства должны допускать тонкую настройку, благодаря которой положение сращиваемых участков может постепенно меняться согласно указаниям врача. Форма этих устройств и их механические характеристики должны быть выверены и позволять четкую фиксацию частей тела в необходимых положениях с определенным запасом прочности. Следует отметить, что относительно недавно в научно-технической литературе (и гораздо раньше – в фантастической, художественной) стали описываться разработки т.н. усилителей физических способностей человека (или экзоскелетов), которые можно назвать ответвлением от устройств типа АВФ. И действительно, в них части тела человека фиксируются во вполне определенных приспособлениях (аналогично классическим АВФ), однако по своему предназначению эти устройства направлены на увеличение физической силы тела человека с помощью включенных в систему моторов. Анализируя приведенную информацию, можно сказать что во всех случаях, моделирование механических свойств АВФ, в частности их напряженно-деформированного состояния, представляет собой актуальную задачу для специалистов в области математического моделирования и ИТ.

Цель данной работы – разработать программные средства, позволяющие за счет автоматизации уменьшить время расчетов напряженно-деформированного состояния аппаратов внешней фиксации при их непосредственном применении на теле человека.

Задачи работы:

— исследовать особенности применения аппаратов внешней фиксации для разнообразных задач и выделить главные параметры этих процессов;

— выделить нерешенные части задачи моделирования напряженно-деформированного состояния аппаратов внешней фиксации и разработать необходимые проектные решения по созданию соответствующего программного обеспечения;

— выполнить программную реализацию соответствующего обеспечения и провести его тестирование, оценить эффективность и сделать выводы о возможностях его применения в реальных практических исследованиях и на производстве.

Объект исследования – процессы расчета напряженно-деформированного состояния аппаратов внешней фиксации.

Предмет исследования – методы и средства моделирования напряженно-деформированного состояния аппаратов внешней фиксации.

Элемент научной новизны работы состоит в предложенной методике исследования механических свойств аппарата внешней фиксации, представляющей собой

Заключение:

Таким образом, в данной работе разработана методика исследования механических свойств аппаратов внешней фиксации, представляющей собой полный цикл работ по автоматизации, начиная от создания модели, далее – самого моделирования и, наконец, представления результатов, что в целом позволяет экономить время на проведение соответствующих расчетов.

В первую очередь, исследованы особенности применения аппаратов внешней фиксации для разнообразных задач и выделены главные параметры этих процессов. Далее разработаны необходимые проектные решения по созданию соответствующего программного обеспечения: установлены требования к информации, обрабатываемой системой, разработан алгоритм использования предложенной методики, выбраны средства разработки (трехмерные редакторы – для первого этапа, пакет ANSYS Mechanical – для непосредственно моделирования напряженно-деформированного состояния, язык программирования C# в интегрированной среде разработки Microsoft Visual Studio Community Edition – для создания программы визуализации результатов расчетов).

Выполнена программная реализация соответствующего обеспечения и проведено его тестирование, которое показало достаточную эффективность предложенных решений и позволяет сделать выводы о возможностях его применения в реальных практических исследованиях и на производстве.

В работе разработан пример замкнутого цикла исследования аппарата внешней фиксации (по системе Илизарова) с использованием трех программных продуктов: 3D редактора, среды численного моделирования и специально разработанной (в рамках данной работы) программы для визуализации результатов расчетов.

В перспективе возможно описание расширенного спектра применяемых для предложенной методики программных продуктов, особенно с бесплатными лицензиями, в частности для расчета напряженно-деформированного состояния (так как именно эти продукты наиболее дороги и требовательны к ресурсам). Также целесообразно разрабатывать более усовершенствованные средства визуализации, в которых разработанный в этой работе продукт можно брать за основу.

Фрагмент текста работы:

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОТРАСЛИ ПРОИЗВОДСТВА АППАРАТОВ ВНЕШНЕЙ ФИКСАЦИИ ДЛЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

1.1 Предназначение аппаратов внешней фиксации и особенности конструкций

Несмотря на всё бурное развитие техники и технологий в разных сферах научного знания, наблюдающееся в последние десятки лет, человеческое тело по-прежнему остается относительно слабым (с точки зрения физической механики) и крайне уязвимым объектом.

В первую очередь, приведенный тезис, к сожалению, проявляется в разнообразных травмах, которые может получать человек в аварийных и различных нештатных ситуациях. В данной работе речь будет идти о переломах костной системы тела человека (скелет), которая представляет собой каркас, основу для процессов механических взаимодействий с окружающей средой. Именно характеристики костей в первую очередь определяют механические возможности тела человека. Проводя аналогию с мехатронными системами, можно со всей очевидностью утверждать, например, что навешивание мощных моторов на непрочные консоли никогда не позволит создать мощные транспортирующие системы и т. п. Характеристики мышц (аналогичных двигателям робототехнических систем) являются вторичными, по отношению к костным параметрам. Кроме того, говоря о внезапных экстремальных воздействиях окружающей среды на тело человека, основную роль в таких процессах играет прочность костного остова, а влияние мышц здесь значительно ниже. Мало того, часто озвучивается мнение, что меньшим травмам способствует расслабленное состояние мышц во время ударов и падений, т.е. не мышечные усилия, а прочность костей является основным фактором, позволяющим избежать серьезных травм.