Mô phỏng hộp sọ não người dưới tác động va chạm bằng phương pháp phân tử hữu hạn (ansys và ls dyna)

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ HUỲNH LAN MÔ PHỎNG HỘP SỌ NÃO NGƯỜI DƯỚI TÁC ĐỘNG VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (ANSYS LS-DYNA) Chuyên ngành : Vật Lý Kỹ Thuật Mã ngành: 60 44 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2007 I CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Minh Thái Chữ ký Cán hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Tường Long Chữ ký Cán chấm nhận xét 1: TS Huỳnh Quang Linh Chữ ký Cán chấm nhận xét : TS Lý Anh Tú Chữ ký Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng năm 2007 II TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 15 tháng năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ HUỲNH LAN Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1982 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT MSHV: 01205277 I- TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG HỘP SỌ NÃO NGƯỜI DƯỚI TÁC ĐỘNG VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (ANYS LS-DYNA) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1) Nghiên cứu lý thuyết sinh học sọ não người lý thuyết động lực học hệ vật, để giải toán sinh học va chạm sọ não 2) Xây dựng mơ hình hình học sọ não người gồm bước : AutoCad -> Pro/E -> Solid Wokrs -> Inventor Hiệu chỉnh mơ hình từ tài liệu giải phẩu học, chương trình tái tạo khối 3D từ ảnh cắt lớp Xây dựng tiếp mơ hình phần tử hữu hạn thơng qua chương trình : ANSYS -> LS/DYNA, để tính tần số riêng, chuyển vị, ứng suất hệ sọ não 3) Khảo sát thơng số ảnh hưởng mơ hình sọ não theo trường hợp mơ tính tốn ANSYS LS/DYNA So sánh kết tính tốn với thực nghiệm cơng trình nghiên cứu khác III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS.TRẦN MINH THÁI,TS.NGUYỄN TƯỜNG LONG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH tháng năm 2007 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH III LỜI CÁM ƠN Đầu tiên xin chân thành gửi lời cám ơn đến PGS.TS Trần Minh Thái định hướng tin tưởng giao cho đề tài hay, phù hợp với lĩnh vực mà tơi u thích Tiếp theo, tơi xin cám ơn đến TS Nguyễn Tường Long, KS Nguyễn Quốc Thái SV Nguyễn Thế Kỷ, Bộ Môn Cơ Kỹ Thuật – Khoa Khoa Học Ứng Dụng Xin cám ơn đến PGS.TS Bác sĩ Trương Văn Việt giám đốc bệnh viện Chợ Rẫy cung cấp cho thông số sọ não nhận xét tính hữu ích đề tài Xin cảm ơn TS Huỳnh Quang Linh, TS Lý Anh Tú chấm phản biện cho đề tài Xin cám ơn Thầy Cô Bộ Môn Vật Lý Kỹ Thuật- Khoa Khoa Học Ứng Dụng dạy Cám ơn tất bạn lớp động viên giúp đỡ suốt thời gian học trường Cám ơn bạn nhóm nhà trọ 4M Bis Sau cùng, xin cám ơn đến gia đình đặc biệt Ba-Má ln ủng hộ tơi thực ý tưởng mình! Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2007 Nguyễn Thị Huỳnh Lan IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết mô tính tốn luận văn cơng trình nghiên cứu thân với hướng dẫn PGS.TS Trần Minh Thái, TS Nguyễn Tường Long Tơi hồn tồn khơng chép từ tài liệu chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ trường lời cam đoan V TÓM TẮT LUẬN VĂN Chấn thương sọ não tai nạn giao thông hay lao động thường nặng Tuy nhiên, mục đích luận văn cung cấp thơng tin chế tổn thương sọ não tính toán độ chuyển vị, ứng suất sọ não Đầu tiên luận văn tạo mơ hình hình học từ chương trình: AUTOCAD -> PRO/E -> SOLIDWORKS -> INVENTOR -> ANSYS -> LS-DYNA Sau luận văn tập trung mơ kiểu tính (tần số riêng, tính tĩnh, va chạm), ứng với vị trí như: Tải tác động vng góc vào mặt trước sọ, mặt sọ, mặt sau sọ, mặt bên sọ Phần cuối đưa vài đề xuất phương pháp bảo vệ đầu nón bảo hiểm Những kết luận văn cố gắng làm xác khơng đảm bảo tính đầy đủ, cập nhật tương lai ABSTRACT Brain skull injury is often dangerous caused by traffic accidents or labour However, the purpose of this thesic is to provide the information about mechanic of brain skull injury and calculating displacement, von Mises First, a mathematical model is designed for the thesic by software: AUTOCAD -> PRO/E -> SOLIDWORKS -> INVENTOR -> ANSYS -> LS-DYNA; Then the thesic simulated cases (natural frequencies, static, impact) for positions of brain skull injury as forces impact perpendicular to the front side of skull, upper side of skull, back side of skull, along side of skull The final part will present some of the proposes head protection method by helmet The results of this thesic are intended to be accurate, but the guarantee is not made as completeness, being up to date in the future VI DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Cấu trúc hộp sọ não người .5 1.2 Cấu tạo da người .7 1.3 Mặt trước hộp xương sọ 1.4 Mặt hộp xương sọ 10 1.5 Mặt bên hộp xương sọ 11 1.6 Các xương sọ 12 1.7 Các lớp màng não tủy 14 1.8 Não cắt dọc 15 1.9 Cấu tạo đại não 18 1.10 Các vùng chức vỏ não 20 1.11 Cấu tạo Nơron 21 1.12 Q trình truyền tín hiệu nơron 22 2.1 Quan hệ chuyển động sọ não suốt trình va chạm 30 2.2 Vết thương sọ não hở 31 2.3 Các loại biến dạng mạch máu 32 2.4 Các loại máu tụ 33 2.5 So sánh lớp màng não trước sau chấn thương 34 2.6 Các dạng chấn thương noron 35 3.1 Mơ hình tốn LS-DYNA 52 3.2 Vị trí ứng suất tập trung lớn .53 4.1 Các ảnh chụp cắt lớp 55 4.2 Đưa liệu vào máy tính 56 4.3 Hiển thị ảnh tái tạo 57 4.4 So sánh mơ hình Doctor M trước sau điều trị 58 VII 4.5 Mơ hình 3D view, xem bên sọ .59 4.6 Mơ hình 3D view, xem bên sọ .60 4.7 Chọn kích thước mơ hình 62 4.8 Mơ hình hình học sọ AUTOCAD 63 4.9 Mơ hình hình học não AUTOCAD 63 4.10 Mô hình hình học sọ não PRO/E 64 4.11 Mơ hình hình học sọ não- nón PRO/E .64 4.12 Mơ hình hình học sọ não SOLIDWORKS 65 4.13 Mơ hình hình học sọ não- nón SOLIDWORKS 65 4.14 Mơ hình hình học sọ não INVENTOR 66 4.15 Mô hình hình học sọ não- nón INVENTOR 66 4.16 Mơ hình hình học sọ não ANSYS .67 4.17 Mơ hình hình học sọ não–nón ANSYS 67 4.18 Mơ hình hình học sọ não LS-DYNA 68 4.19 Mơ hình hình học sọ não - nón LS-DYNA .68 5.1 Mơ hình 73 5.2 Xét vị trí thường bị chấn thương .78 5.3 Tải tác động vào mặt trước sọ .79 5.4 Lưới phần tử Sọ-Não-Vật va chạm .80 5.5 Lưới phần tử Sọ-Não-Nón bảo hiểm-Vật va chạm .80 5.6 Tải trọng tác động vào mặt sọ .81 5.7 Lưới phần tử Sọ-Não-Vật va chạm .82 5.8 Lưới phần tử Sọ-Não-Nón bảo hiểm-Vật va chạm .82 5.9 Tải trọng tác động vào mặt sau sọ 83 5.10 Lưới phần tử Sọ-Não-Vật va chạm 84 5.11 Lưới phần tử Sọ-Não-Nón bảo hiểm-Vật va chạm 84 5.12 Tải trọng tác động vào mặt bên 85 5.13 Lưới phần tử Sọ-Não-Vật va chạm 86 VIII 5.14 Lưới phần tử Sọ-Não-Nón bảo hiểm-Vật va chạm 86 5.15 Tải trọng điều kiện biên 87 5.16 Kết ứng suất von Mises .87 5.17 Kết chuyển vị theo hướng tải trọng 88 5.18 Kết chuyển vị theo hướng tải trọng sọ .88 5.19 Kết chuyển vị não 89 5.20 Kết biến dạng não 89 5.21 Tạo phần tử tiếp xúc sọ não 91 5.22 Dạng riêng thứ 92 5.23 Dạng riêng thứ 92 5.24 Dạng riêng thứ 93 5.25 Dạng riêng thứ 93 5.26 Dạng riêng thứ 94 5.27 Dạng riêng thứ 94 5.28 Dạng riêng thứ 95 5.29 Dạng riêng thứ 95 5.30 Dạng riêng thứ 96 5.31 Dạng riêng thứ 10 .96 5.32 Lưới phần tử sọ não vật va chạm 100 5.33 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 100 5.34 Lưới phần tử sọ não vật va chạm .101 5.35 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 101 5.36 Lưới phần tử sọ não vật va chạm .102 5.37 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 102 5.38 Lưới phần tử sọ não vật va chạm .103 5.39 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 103 5.40 Vật va chạm vào mơ hình sọ não 104 5.41 Kết chuyển vị .104 5.42 Kết ứng suất 105 IX DANH SÁCH SƠ ĐỒ - BẢNG BIỂU 2.1 Bảng quan hệ loại va chạm, thời gian cấu trúc bề mặt 26 2.2 Sơ đồ chế tổn thương 27 2.3 Sơ đồ tiến hành khảo sát va chạm đầu có da khơng da (tử thi) 28 3.1 Sơ đồ mô chương trình LS_DYNA 41 3.2 Sơ đồ mô vật tiếp xúc .44 3.3 Sơ đồ toán Hertz 46 3.4 Sơ đồ bề mặt tiếp xúc .47 3.5 Sơ đồ áp suất phân bố bề mặt hình trụ 48 3.6 Sơ đồ phân bố lực bề mặt .49 3.7 Sơ đồ phân bố áp suất diện tích hình trụ 49 3.8 Sơ đồ mô hình ví dụ .51 3.9 Bảng biểu so sánh kết phương pháp 52 5.1 Bảng thơng số tính tốn 71 5.2 Bảng kết theo phương pháp trượt sọ não, khơng nón bảo hiểm 90 5.3 Bảng kết theo phương pháp trượt sọ não, khơng nón bảo hiểm 90 5.4 Đồ thị so sánh ứng suất 90 5.5 Tần số riêng mô hình hộp sọ não khơng nón bảo vệ 97 5.6 Tần số riêng mơ hình hộp sọ não khơng nón bảo vệ 97 5.7 So sánh kết bảng 5.5 5.6 98 5.8 Đồ thị giá trị tần số riêng 99 5.9 Đồ thị giá trị riêng 99 5.10 Đồ thị giá trị riêng 99 5.11 Bảng đồ thị áp suất thay đổi va chạm 105 5.12 Bảng kết theo phương pháp trượt sọ não - không nón 106 5.13 Bảng kết theo phương pháp trượt sọ não có nón 106 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THỊ HUỲNH LAN Ngày, tháng, năm sinh: 15-12-1982, Nơi sinh: Tỉnh Vĩnh Long Địa liên lạc: 89/18 Đoàn Văn Bơ, P.12, Quận 4, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại : 08 8253 362 ; Di động : 0919 602 382 E-mail : nguyenthihuynhlan@yahoo.com.hk QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : 2000 - 2004: Khoa Sư phạm Vật Lý – Đại Học Cần Thơ – Tp Cần Thơ 2005 - 2007 : Bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật- Khoa Khoa Học Ứng Dụng - Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC : 2005 - 2007 : Nhân viên Kỹ Thuật C.ty TNHHTM Đại Hoàng Gia Hiện thành viên nhóm SIMTECH (mơ tính tốn) ... ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG HỘP SỌ NÃO NGƯỜI DƯỚI TÁC ĐỘNG VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (ANYS LS-DYNA) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1) Nghiên cứu lý thuyết sinh học sọ não người lý thuyết động lực... Lưới phần tử sọ não vật va chạm 100 5.33 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 100 5.34 Lưới phần tử sọ não vật va chạm .101 5.35 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm ... Lưới phần tử sọ não vật va chạm .102 5.37 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm 102 5.38 Lưới phần tử sọ não vật va chạm .103 5.39 Lưới phần tử sọ não – nón -vật va chạm