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系統識別號 U0002-1607201915584800
中文論文名稱 應用有限元素分析於纖維化肺組織之力學研究
英文論文名稱 Application of Finite Element Analysis for Mechanics Study on Pulmonary with Fibrosis Diseases
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 廖晏晨
研究生英文姓名 Yen-Chen Liao
學號 607380036
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-27
論文頁數 123頁
口試委員 指導教授-王建凱
委員-李家瑋
委員-董奕鍾
中文關鍵字 肺纖維化  生物計算力學  有限元素法  板殼元素  FEBio software suite  程式語言設計 
英文關鍵字 Pulmonary fibrosis  biocomputational mechanics  finite element method  plate and shell elements  FEBio software suite  programming language design 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 有限元素法為學術研究與先進工程仰賴之計算方法,能夠針對具有幾何外型特徵之連續固體或結構系統,精準求得系統受外力刺激所造成的力學及物理反應的場域分佈,近年來除應用於固體力學與結構工程學門外,更受到生物醫學工程領域的重視。
本論文利用有限元素分析軟體FEBio結合美國國家衛生研究院(NIH)所提供的肺臟STL模型,模擬肺纖維化前後再進行吸氣時所受到的力學狀態,在解讀程式經計算後所得出的結果。研究主要可分為三個階段,分別為MATLAB程式撰寫、模型與分析條件設置、歸納分析之成果。
首先先介紹MATLAB程式撰寫,本研究肺臟模型所希望之元素設定為板殼元素,但由於STL模型匯入FEBio中無法設定為板殼元素,所以利用MATLAB開發轉檔程式,藉由讀取設定分析參數的文字輸入檔和STL模型檔,將參數與模型資料寫成FEBio專有的FEB檔案格式儲存,便可解決板殼元素設定之問題;二為模型與分析條件設置,根據參考文獻設計纖維化區域為散佈於肺葉上與集中在支氣管上,另外也尋找相關資料設計模型的邊界條件參數;最後階段為歸納分析結果,在同樣的分析條件下,從兩個肺纖維化模型的分析結果去比較,並找出相關的規則加以歸納之。
英文摘要 The finite element method is a calculation method based on academic research and advanced engineering. It can accurately determine the field distribution of mechanical and physical reactions caused by external force stimulation for continuous solid or structural systems with geometric appearance characteristics. Applied to solid mechanics and structural engineering, it is also valued in the field of biomedical engineering.
In this thesis, the finite element analysis software FEBio is combined with the lung STL model provided by the National Institutes of Health (NIH) to simulate the mechanical state of inhalation before and after pulmonary fibrosis. The results obtained after the calculation of the interpretation program are calculated. The research can be divided into three stages, which are the results of MATLAB programming, model and analysis condition setting, and inductive analysis.
First, the MATLAB programming is introduced. The desired element of the lung model is set as the shell element. However, since the STL model cannot be set as the shell element in FEBio, the MATLAB development of the conversion program is used to analyze the reading configuration. The text input file and STL model file of the parameter, the parameters and model data are written into FEBio's proprietary FEB file format storage, which can solve the problem of setting the plate and shell elements. Secondly, the model and analysis conditions are set, and the fiberized area is designed according to the reference. In order to spread on the lungs and concentrate on the bronchus, the boundary condition parameters of the relevant data design model are also sought. The final stage is the inductive analysis result. Under the same analysis conditions, the analysis results of the two pulmonary fibrosis models are compared. And find out the relevant rules to summarize them.
論文目次 目錄
圖目錄 IV
表目錄 VII
第一章、緒論. 1
1-1 研究動機與背景 1
1-2 研究目的 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 研究內容 6
第二章、FEBio之理論與介紹 7
2-1 FEBio軟體套件之介紹 7
2-2連體力學之簡介 8
2-2-1 方向導數(Directional Derivative)之定義 9
2-2-2 變形梯度 9
2-2-3 應變張量 11
2-2-4 應力張量 12
2-2-5 連體力學之控制方程式 14
2-3 固體線性材料之有限元素計算方法 14
2-3-1 固體材料的弱形式 14
2-3-2 線性化 15
2-3-3 離散化 17
2-4 板殼元素之勁度矩陣 19
2-5 FEBio分析解與解析解之比較 22
第三章、程式開發 24
3-1 程式基本架構 24
3-2 STL檔案格式介紹與架構25
3-3 FEB檔案格式介紹與架構 27
3-4 WriteFEB程式之操作與說明 29
3-4-1 main.m程式碼解說 30
3-4-2 MAT.m程式碼解說 33
3-4-3 WRITMODEL.m程式碼解說 35
3-4-4 READSTL.m 程式碼解說 37
3-4-5 trans.m程式碼解說 39
3-4-6 GEOFIX.m程式碼解說 41
3-4-7 GEOLOAD.m程式碼解說 43
3-4-8 MESHDATA.m程式碼解說 46
3-4-9 LOADDATA.m程式碼解說 47
3-4-10 STEP.m程式碼解說 48
3-4-11 BOUNDARY.m程式碼解說 50
3-4-12 LOAD.m程式碼解說 52
3-5 IPT輸入檔格式介紹 54
3-5-1 手寫IPT檔範例 60
3-5-2 STL讀取IPT檔範例 62
3-6 實作流程 63
3-6-1 STL檔模型之實作流程 64
3-6-2 文字檔模型之實作流程 68
第四章、例題實作 69
4-1 肺纖維化的幾何分布 69
4-2 力學分析之條件設定 70
4-2-1 肺及肺纖維化材料參數 71
4-2-2 肺呼吸作用之邊界條件設定 72
4-3力學分析結果與討論 75
4-3-1 例題總分析時間 76
4-3-2 纖維化區域散布在肺之力學結果 76
4-3-3 纖維化區域集中於支氣管周圍之力學結果 100
4-3-4 肺體積及表面積變化量比較 117
第五章、結論與展望 120
5-1 結論 120
5-2 展望 121
參考文獻 122

圖目錄
圖2-1 變形示意圖 10
圖2-2 懸臂梁之問題示意圖 22
圖2-3 FEBio之分析解結果 23
圖3-1 程式架構圖 25
圖3-2 STL於SketchUp中的外觀 26
圖3-3節點座標V 39
圖3-4 元素組成資訊F 39
圖3-5 整理後之節點資訊Vertices 40
圖3-6 矩陣ic之內容 40
圖3-7 模型減面比較圖 65
圖3-8 模型自相交面 65
圖3-9 自相交面示意圖 66
圖3-10 Blender介面示意圖 66
圖3-11 STL檔實作流程圖 67
圖3-12文字檔實作流程圖 68
圖4-1 模型一分布圖(紫色區域為纖維化區域) 69
圖4-2 模型二分布圖(紫色區域為纖維化區域) 70
圖4-3 模型三分布圖(紫色區域為纖維化區域) 70
圖4-4 肺臟受肋骨限制之區域 72
圖4-5 肺臟受脊椎限制之區域 73
圖4-6 主氣管與支氣管邊界條件之區域 74
圖4-6 受力區域圖(紅色區域) 75
圖4-7 纖維化區域散佈在肺之x方向應力分佈圖(一) 77
圖4-8 纖維化區域散佈在肺之x方向應力分佈圖(二) 77
圖4-9 纖維化區域散佈在肺之x方向應變分佈圖(一) 80
圖4-10 纖維化區域散佈在肺之x方向應變分佈圖(二) 80
圖4-11 纖維化區域散佈在肺之y方向應力分佈圖(一) 81
圖4-12 纖維化區域散佈在肺之y方向應力分佈圖(二) 82
圖4-13 纖維化區域散佈在肺之y方向應變分佈圖(一) 84
圖4-14 纖維化區域散佈在肺之y方向應變分佈圖(二) 85
圖4-15 纖維化區域散佈在肺之z方向應力分佈圖 86
圖4-16 纖維化區域散佈在肺之z方向應變分佈圖(一) 87
圖4-17 纖維化區域散佈在肺之xy方向應力分佈圖(一) 88
圖4-18 纖維化區域散佈在肺之xy方向應力分佈圖(二) 89
圖4-19 纖維化區域散佈在肺之xy方向應變分佈圖(一) 91
圖4-20 纖維化區域散佈在肺之xy方向應變分佈圖(二) 92
圖4-21 纖維化區域散佈在肺之yz方向應力分佈圖(一) 93
圖4-22 纖維化區域散佈在肺之yz方向應力分佈圖(二) 93
圖4-23 纖維化區域散佈在肺之yz方向應變分佈圖(一) 96
圖4-24 纖維化區域散佈在肺之xz方向應力分佈圖 97
圖4-25 纖維化區域散佈在肺之xz方向應變分佈圖(一) 99
圖4-26 纖維化區域散佈在肺之xz方向應變分佈圖(二) 99
圖4-27 纖維化區域集中於支氣管之x方向應力分佈圖 100
圖4-28 纖維化區域集中於支氣管之x方向應變分佈圖 102
圖4-29 纖維化區域集中於支氣管之y方向應力分佈圖 103
圖4-30 纖維化區域集中於支氣管之y方向應變分佈圖 106
圖4-31 纖維化區域集中於支氣管之z方向應力分佈圖 107
圖4-32 纖維化區域集中於支氣管之z方向應變分佈圖 109
圖4-20 纖維化區域集中於支氣管之xy方向應力分佈圖 109
圖4-33 纖維化區域集中於支氣管之xy方向應變分佈圖 111
圖4-34 纖維化區域集中於支氣管之yz方向應力分佈圖 112
圖4-35 纖維化區域集中於支氣管之yz方向應變分佈圖 114
圖4-36 纖維化區域集中於支氣管之xz方向應力分佈圖 115
圖4-37 纖維化區域集中於支氣管之xz方向應變分佈圖 117

表目錄
表1-3-1 1997年至2007年特發性纖維化的盛行率和發生率[11] 5
表3-3-1 子元素名稱定義對照表 28
表 3-4-1 WriteFEB程式名稱與功能對照表 30
表3-5-1 方向固定參數設定與定義 56
表3-5-2 轉角固定參數設定與定義 57
表3-5-3 節點力設定參數定義 58
表3-5-4 分析步驟設定說明表 59
表4-3-1-1 各分析案例之分析時間 76
表4-3-2-1 纖維化區域散佈在肺之x方向應力值比較表(一) 78
表4-3-2-2 纖維化區域散佈在肺之x方向應力值比較表(二)79
表4-3-2-3 纖維化區域散佈在肺之y方向應力值比較表(一) 82
表4-3-2-4 纖維化區域散佈在肺之y方向應力值比較表(二) 83
表4-3-2-5 纖維化區域散佈在肺之z方向應力值比較表 86
表4-3-2-6 纖維化區域散佈在肺之xy方向應力值比較表(一) 89
表4-3-2-7 纖維化區域散佈在肺之xy方向應力值比較表(二) 90
表4-3-2-8 纖維化區域散佈在肺之yz方向應力值比較表(一) 94
表4-3-2-9 纖維化區域散佈在肺之yz方向應力值比較表(二) 95
表4-3-2-10 纖維化區域散佈在肺之xz方向應力值比較表 98
表4-3-3-1 纖維化區域集中於支氣管之x方向應力值比較表 101
表4-3-3-2 纖維化區域集中於支氣管之y方向應力值比較表(一) 103
表4-3-3-3 纖維化區域集中於支氣管之y方向應力值比較表(二) 104
表4-3-3-4 纖維化區域集中於支氣管之z方向應力值比較表 107
表4-3-3-5 纖維化區域集中於支氣管之xy方向應力值比較表 110
表4-3-3-6 纖維化區域集中於支氣管之yz方向應力值比較表 113
表4-3-3-7 纖維化區域集中於支氣管之xz方向應力值比較表 115
表4-3-4-1 右肺葉體積變化量比較表(單位:cm3) 118
表4-3-4-2 肺臟表面積變化量比較表(單位:cm2) 119
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