Zusammengesetzte finite Elemente für trabekuläre Mikrostrukturen in Knochen

Lars Ole Schwen

Zusammenfassung

 

In vielen medizinischen und technischen Anwendungen werden numerische Simulationen für Objekte mit geometrisch komplizierter Form durchgeführt. Gegenstand dieser Dissertation ist die Simulation der Elastizität trabekulärer Mikrostrukturen von Knochen, einem biomechanischen Problem. Ziel ist es, ein effizientes Simulationswerkzeug für solche Strukturen zu entwickeln, die sogenannten zusammengesetzten finiten Elemente. Wir betrachten dabei sowohl den Fall von Interfaces zwischen Material und Hohlraum (komplizierte Gebiete) als auch zwischen verschiedenen Materialien (unstetige Koeffizienten).

In klassischen Finite-Element-Simulationen wird geometrische Komplexität typischerweise in unstrukturierten Tetraeder-Gittern kodiert. Zusammengesetzte finite Elemente dagegen kodieren geometrische Komplexität in speziellen Basisfunktionen auf einem gleichförmigen Würfelgitter. Anders als alternative Ansätze (wie zum Beispiel fictitious domain methods, generalized finite element methods, immersed interface methods, partition of unity methods, unfitted meshes und extended finite element methods) sind die zusammengesetzten finiten Elemente zugeschnitten auf die Geometriebeschreibung durch dreidimensionale Bilddaten und benutzen das zugehörige Voxelgitter als Rechengitter, ohne zusätzliche Freiheitsgrade einzuführen. Somit können sie effiziente Datenstrukturen für gleichförmig strukturierte Gitter ausnutzen.

Die Methode der zusammengesetzten finiten Elemente geht zurück auf Wolfgang Hackbusch und Stefan Sauter. Man schränkt dabei übliche affine Finite-Element-Basisfunktionen auf gleichförmig strukturierten Tetraedergittern (die man durch Unterteilung jedes Würfels in sechs Tetraeder erhält) auf das approximierte Innere ein. Dies kann implementiert werden durch das Zusammensetzen von Standard-Basisfunktionen auf einem lokalen und rein virtuellen Hilfsgitter, durch das das Interface approximiert wird. Im Falle unstetiger Koeffizienten wird die gleiche lokale Hilfskonstruktion verwendet. Gewichte für das Zusammensetzen erhält man hier, indem lokale Interpolationsprobleme gelöst werden, wozu zunächst Kopplungsbedingungen über das Interface hinweg bestimmt werden. Diese hängen ab sowohl von der lokalen Geometrie des Interface als auch von den (skalaren oder tensorwertigen) Material-Koeffizienten auf beiden Seiten des Interface. Wir betrachten Wärmeleitung als skalares und lineare Elastizität als vektorwertiges Modellproblem, um die zusammengesetzten finiten Elemente zu entwickeln und zu implementieren. Gleichförmige Würfelgitter enthalten eine natürliche Hierarchie vergröberter Gitter, was es uns erlaubt, im Falle komplizierter Gebiete einen Mehrgitterlöser zu implementieren.

Neben Simulationen einzelner Lastfälle wenden wir die zusammengesetzten finiten Elemente auch auf das Problem an, effektive Materialeigenschaften zu bestimmen, etwa für mehrskalige Simulationen. Für periodische Mikrostrukturen wird dies erreicht, indem man Korrekturprobleme auf der Fundamentalzelle löst. Dafür nutzt man affin-periodische Randwerte, die zu uniaxialem Druck oder zu Scherung korrespondieren. In statistisch periodischen trabekulären Mikrostrukturen lassen sich ebenfalls Fundamentalzellen identifizieren, sie erlauben jedoch keinen periodischen Ansatz. Stattdessen werden makroskopische Verschiebungen zu denselben affin-periodischen Randbedingungen vorgegeben, allerdings durch Dirichlet-Randwerte auf allen Seitenflächen. Die Spannungsantwort des Materials wird anschließend nur auf einem inneren Teilbereich berechnet, um künstliche Versteifung am Rand zu verhindern. Schließlich prüfen wir den makroskopischen Elastizitätstensor auf Orthotropie und identifizieren deren Achsen.

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Teil 3. Kapitel 8 - Bibliography, Seiten 147 - 176 (1 MB) Hier können Sie den Adobe Acrobat Reader downloaden

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© Universitäts- und Landesbibliothek Bonn | Veröffentlicht: 19.11.2010