2015 Fiscal Year Annual Research Report
有限要素法と個別要素法のハイブリッド法による骨折解析プログラムの開発とその応用
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14F04754
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
坂本 二郎 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20205769)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
XU WEI 金沢大学, 機械工学系, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 計算力学 / 衝撃工学 / 破壊力学 / 材料力学 / 個別要素法 / 有限要素法 / バイオメカニクス / 骨折 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
頭部傷害は，歩行者・自動車衝突において力学解析が必要とされる最も重要な問題の一つである．医療画像から詳細な頭部解析モデルを構築し，有限要素法で力学解析を行う技術が普及しつつあるが，これらの多くは衝突時におけるフロントガラスの破壊前までの現象が対象で，フロントガラスの破壊や頭骨骨折を伴う解析は極めて少ない．本研究では，個別要素法と有限要素法による混合法(CDFP)の計算効率を高め，車体の破壊や骨折を伴う現実的な歩行者衝突の問題に適用してその有効性を検証することを目的としている．
有限要素法(FEM)は，最も信頼性の高い連続体力学解析法であるが，亀裂や分裂を伴う破壊現象は連続性が失われるため，精度良い解析を行うのは困難である．一方，個別要素法(DEM)は連続体を小さな粒子の集合として扱うため，亀裂や分裂を伴う破壊に対しても高精度の解析が可能であるが，実スケールの解析では非常に多くの要素が必要となり計算時間が膨大となる．研究分担者の一人は，破壊が生じていない部分は有限要素法で解析し，破壊部周辺のみを個別要素法で解析するといった混合法(CDFP)を提案し，この手法をガラスの破壊解析等に応用して，破壊現象が精度良く効率的に解けることを明らかにしている．平成26年度の研究においては，個別要素法と有限要素法からなる混合法プログラム（CDFP）を，三次元問題で適用可能なように理論の拡張を行った．さらに，開発したプログラムを，ワークステーションにインストールし，DE/FE混合法による破壊解析が可能な計算環境を構築した．平成27年度の研究においては，CDFPの汎用性・信頼性を高めることを目的に，動的問題の解析に実績のある有限要素プログラムDYNA3Dに，個別要素を組み込むプログラム（CDFP on DYNA3D）の開発を行った．プログラムの完成までは到達していないが，ほぼ完成の目処がついた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度までは，個別要素法と有限要素法による混合法(CDFP)のプログラム開発において，離散化に必要な六面体要素の開発を終え，三次元構造の解析を可能とした．また，CDFPによる破壊解析が可能な計算環境構築を完了し，単純な平板の破壊解析を行い，計算環境の有効性について確認した．これを承け平成27年度では，GPUを用いた並列計算プログラム開発，骨強度解析ソフトを利用した断層画像から頭部の有限要素モデルの作成，データー入力のためのインターフェイスプログラムの作成を予定していた．しかし，研究を進めていくうちに，プログラムの汎用性の問題に突き当たり，大きく計画を変更することとした．今までの研究では，研究分担者が独自のプログラムとしてCDFPのコードを作成してきた．しかし，自作の有限要素プログラムの部分は，使用可能な要素の種類に乏しく汎用性に欠けるため，解くことができる問題が限られる．実用的な動的負荷問題を解くには，連続体の他にも板やシェル等，多くのタイプの有限要素が必要であり，荷重条件や接触条件についても様々な設定が必要になる．それらに対応したプログラムを全て自作することは困難で，特に信頼性確保のためのデバッグ作業に多大な時間と労力が必要になる．そこで，既に信頼性が確保され，コードも公開されている汎用の有限要素コードDYNA3Dに，研究分担者が開発した混合法のプログラムを組み込むこととした．汎用性と信頼性の高いDYNA3DをベースにしてCDFPの解析ができる意義は大きい．しかし，長大なDYNA3Dプログラムの内容を理解した上で個別要素を組み込むプログラミングには多くの時間と労力が必要で，平成27年度はこの作業に注力したことから，頭骨の有限要素モデル作成の作業は完了せず次年度継続となった．計画の変更により骨モデルの作成はやや遅れているが，プログラムの完成は目処がついており，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は，下記のように研究を実行する．
①計算の信頼性と汎用性を高めるため，DYNA3Dに混合法を組み込んだCDFP on DYNA3Dのプログラムを完成させる．②市販の人体有限要素モデルを利用して，骨の有限要素／個別要素混合モデルの作成を行う．③自動車衝突や転倒を反映した負荷条件を明らかにし，頭骨や上肢骨を対象として骨折解析を行い，過去の文献等と比較してその有効性を検討する．
①について，平成27年度はDYNA3Dのプログラムの理解と，分担研究者が開発した個別要素の組み込みプログラミングを主として行った．平成28年度は有限要素と個別要素の接触問題を解く部分と，様々な負荷条件・境界条件を与える部分について開発を進め，プログラムを完成させる．以上のプログラムを開発した後，その有効性を確認するために，単純形状物体を対象とした破壊解析を行い，その精度と計算効率を検証する．
②について，平成27年度は本研究室所有の骨強度解析ソフトウェア(RCCM製，Mechanical Finder)を利用して断層画像から頭骨の有限要素モデルの作成を試みた．しかし，当該のソフトウェアで使われる要素が主として４面体要素で，個別要素との混合法には適さないこと，またメッシュが細かく（有限要素が多く）なり過ぎて，混合法の有効性を活かせないことから，このモデルによる解析は断念した．それに代わる方法として，衝突安全解析用に作成された市販の人体有限要素モデル(TTDC製，THUMS)の初期バージョンを利用する．THUMSはLS-Dyna（DYNA3Dを基に開発された商用ソフト）用のデータなので，DYNA3Dに入力する際にも修正が少なくて済むという利点も活かすことができる．
最後に，②で作成したデータを①で開発したCDFP on DYNA3Dのプログラムに入力することで，大規模な破壊を伴う頭骨や上肢骨骨折の衝撃解析を実施し，有限要素法だけの解析結果や過去の研究と比較してその有効性を検討する．
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