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Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.
Multi-phase management is crucial for performance and durability of electrochemical cells such as batteries and fuel cells. In this paper we present a generic framework for describing the two-dimensional spatiotemporal evolution of gaseous, liquid and solid phases, as well as their interdependence with interfacial (electro-)chemistry and microstructure in a continuum description. The modeling domain consists of up to seven layers (current collectors, channels, electrodes, separator/membrane), each of which can consist of an arbitrary number of bulk phases (gas, liquid, solid) and connecting interfaces (two-phase or multi-phase boundaries). Bulk and interfacial chemistry is described using global or elementary kinetic reactions. Multi-phase management is coupled to chemistry and to mass and charge transport within bulk phases. The functionality and flexibility of this framework is demonstrated using four application areas in the context of post-lithium-ion batteries and fuel cells, that is, lithium-sulfur (Li-S) cells, lithium-oxygen (Li-O) cells, solid oxide fuel cells (SOFC) and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFC). The results are compared to models available in literature and properties of the generic framework are discussed.
An analytical and numerical study of the wobbling dynamics of friction disks is presented. Of particular interest is the excitation mechanism taking into account two contrarian effects both originating in dry friction: the circulatory terms describing the energy input due to the sliding contacts and the friction induced damping which stabilizes the system. Balance of these terms determines the instability domain in the parameter space. It is shown that there is a slip threshold so that, if the slip is under this limit, the system remains stable. If the slip is larger than this limit, then the criterion of stability is determined by the relation between the friction coefficient and the internal damping. The limit cycle appearing in the unstable domain is also investigated. It is shown that the limit cycle can be described as a kind of a regular reverse precession of the wobbling disc. Its amplitude is limited by the geometric nonlinearity and partial contact loss. Analytic results are compared with numeric simulations.