Modelovánía experimentální zjišťovánímechanických vlastností nelineárních materiálů

Podobné dokumenty
Biomechanika II. Modely napjatosti a deformace cév, vliv zbytkových napětí a aktivní vlastnosti. Lukáš Horný

Biomechanika a lékařské přístroje

Nelineární problémy a MKP

Biomechanika srdečněcévnísoustavy a konstitutivnímodelování

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Summer Workshop of Applied Mechanics. Závislost úhlu rozevření mužské aorty na věku a lokalizaci

AVDAT Nelineární regresní model

Regresní analýza 1. Regresní analýza

MODEL TVÁŘECÍHO PROCESU

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Bodové a intervalové odhady parametrů v regresním modelu

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE. Leptání plasmou. Ing. Pavel Bouchalík

AVDAT Klasický lineární model, metoda nejmenších

1 Tyto materiály byly vytvořeny za pomoci grantu FRVŠ číslo 1145/2004.

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

Statistické vyhodnocení zkoušek betonového kompozitu

Regresní a korelační analýza

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Regresní analýza. Ekonometrie. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FVL UO Brno kancelář 69a, tel

6. Lineární regresní modely

vzorek vzorek

Regresní a korelační analýza

Statistická analýza jednorozměrných dat

Zadání Máme data hdp.wf1, která najdete zde: Bodová předpověď: Intervalová předpověď:

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

Statistická analýza dat

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Odhady Parametrů Lineární Regrese

Pravděpodobnost a matematická statistika Doc. RNDr. Gejza Dohnal, CSc.

Regresní a korelační analýza

POLYNOMICKÁ REGRESE. Jedná se o regresní model, který je lineární v parametrech, ale popisuje nelineární závislost mezi proměnnými.

II. Statistické metody vyhodnocení kvantitativních dat Gejza Dohnal

obhajoba diplomové práce

SOLVER UŽIVATELSKÁ PŘÍRUČKA. Kamil Šamaj, František Vižďa Univerzita obrany, Brno, 2008 Výzkumný záměr MO0 FVT

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

1.1 Shrnutí základních poznatků

Modelovánía experimentální zjišťovánímechanických vlastností nelineárních materiálů

Technický experiment, příprava, provedení, hodnocení výsledků

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Přehled modelů cyklické plasticity v MKP programech

Aplikovaná numerická matematika

PRUŽNOST A PEVNOST II

V praxi pracujeme s daty nominálními (nabývají pouze dvou hodnot), kategoriálními (nabývají více

4EK211 Základy ekonometrie

Autor: Vladimír Švehla

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

Testování hypotéz o parametrech regresního modelu

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Minikurz aplikované statistiky. Minikurz aplikované statistiky p.1

KGG/STG Statistika pro geografy

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

Aplikovaná statistika v R - cvičení 3

Regresní analýza. Eva Jarošová

Inkrementální teorie plasticity - shrnutí

13.1. Úvod Cílem regresní analýzy je popsat závislost hodnot znaku Y na hodnotách

Pravděpodobnost a matematická statistika Doc. RNDr. Gejza Dohnal, CSc. dohnal@nipax.cz

Semestrální práce. 3.3 Tvorba nelineárních regresních modelů v analýze dat

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Klasifikace a rozpoznávání. Lineární klasifikátory

Cvičící Kuba Kubina Kubinčák Body u závěrečného testu

7. CVIČENÍ. Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Optimalizace provozních podmínek. Eva Jarošová

Statistika (KMI/PSTAT)

Základy navrhování průmyslových experimentů DOE

Inovace bakalářského studijního oboru Aplikovaná chemie

AVDAT Mnohorozměrné metody, metody klasifikace

UNIVERZITA PARDUBICE

Pravděpodobnost a matematická statistika Doc. RNDr. Gejza Dohnal, CSc.

odpovídá jedna a jen jedna hodnota jiných

MATEMATIKA III V PŘÍKLADECH

Plánování experimentu

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Stanovení manganu a míry přesnosti kalibrace ( Lineární kalibrace )

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Kontraktantní/dilatantní

Vícerozměrná rozdělení

Statistika. Regresní a korelační analýza Úvod do problému. Roman Biskup

Regrese. 28. listopadu Pokud chceme daty proložit vhodnou regresní křivku, musíme obvykle splnit tři úkoly:

Zkoušení kompozitních materiálů

Sedání piloty. Cvičení č. 5

2.2 Kalibrace a limity její p esnosti

Pružnost a plasticita II CD03

MÍRY ZÁVISLOSTI (KORELACE A REGRESE)

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Závislost obsahu lipoproteinu v krevním séru na třech faktorech ( Lineární regresní modely )

Robustní odhady statistických parametrů

Lineární regrese. Komentované řešení pomocí MS Excel

Úvod do problematiky měření

Základní statistické modely Statistické vyhodnocování exp. dat M. Čada ~ cada

Chyby nepřímých měření

INDUKTIVNÍ STATISTIKA

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

LINEÁRNÍ MODELY. Zdeňka Veselá

Reologie tavenin polystyrenových plastů. Závěrečná práce LS Pythagoras

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

1. Číselné posloupnosti - Definice posloupnosti, základní vlastnosti, operace s posloupnostmi, limita posloupnosti, vlastnosti limit posloupností,

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Summer Workshop of Applied Mechanics. Vliv mechanického zatížení na vznik a vývoj osteoartrózy kyčelního kloubu

Transkript:

Modelovánía experimentální zjišťovánímechanických vlastností nelineárních materiálů Biomechanika a lékařsképřístroje Projekt II LukášHorný Laboratoř biomechaniky člověka Ústavu mechaniky Fakulty strojní ČVUT v Praze

Cvičná úloha Axiálnímechanickáodezva břišníaorty V laboratoři byl proveden experiment, kdy jsme zjišťovali odezvu vzorku břišní aorty na podélné zatížení. Cílem je stanovit konstitutivnímodel pro tuto odezvu.

Experiment Vzorek žena, 20-30 let, 90h post mortem bez patologických změn měřením byly zjištěny tyto rozměry obvod: 35.94; 34.22; 37.86 mm tloušťka stěny: 0.96 (opticky); 1.45; 1.41 mm (posuvkou)

Tahová zkouška Experiment

Experiment Vektory zjištěných dat λ[-] 1.000 1.077 1.123 1.174 1.204 1.229 1.240 1.259 1.270 1.281 1.288 1.302 1.314 1.330 λ SD 0.000 0.017 0.018 0.012 0.009 0.009 0.011 0.016 0.012 0.007 0.007 0.006 0.010 0.003 F [N] 0.000 0.132 0.236 0.338 0.442 0.545 0.650 0.753 0.855 0.960 1.175 1.385 1.594 1.812

Výpočtový model Deformace Tepna se zatížením protahovala, jak se choval poloměr? (1) Pro vysoký obsah vody, bývají měkké tkáně často modelovány jako nestlačitelné. (2) Ačkoliv jsou cévy obecně anisotropní, modelujme ji dnes jako isotropní protože: hlavním zdrojem anisotropie jsou kolagenní vlákna, která jsou (2a) vysoce zvlněná (2b) orientovány především obvodově. (3) Zkosy zanedbejme.

Výpočtový model Deformace Ve válcovém souřadném systému z toho plyne F λ 0 0 rr = 0 λ 0 ϑθ deformace 0 0 λ zz 0zkosy Isotropie Nestlačitelnost λ rr = λϑ Θ R r : Θ ϑ Z z λ λ λ = 1 λ = rr ϑθ zz ϑθ 1 λ zz r = λ ϑ Θ zz R ϑ = Θ z = λ Z h = λ rr H F 1 0 0 λzz 1 = 0 0 λzz 0 0 λz

Výpočtový model Pozorovanénapětí σ EXP Napjatost modelujeme jako jednoosou P zz f f f = σzz = = A a oh σ zz f f 1 f f = = = = λzz oh λ Oλ H λ λ A A ϑθ rr ϑθ rr σ EXP zz = λ zz f A

Výpočtový model Modelováodezva napětí σ MOD Hyperelastický materiál Gentův model hustoty deformační energie W µ J 3 m 1 1 2 ln I = Jm I = λ + λ + λ = λ + λ + λ 2 2 2 2 2 2 1 1 2 3 rr ϑθ zz ( ) T W F σ = F p I F σ σ σ σ σ σ σ σ σ rr rϑ rz rϑ ϑϑ zϑ rz zϑ zz W 0 0 λrr λ 0 0 1 0 0 rr W = 0 0 0 λ 0 p 0 1 0 ϑθ λ ϑθ 0 0 λ 0 0 1 zz W 0 0 λzz

Výpočtový model Modelováodezva napětí σ MOD W λ 0 0 rr p λrr σ 0 0 rr W 0 σ 0 0 λ p 0 ϑϑ = ϑθ λϑ Θ 0 0 σ zz W 0 0 λ zz p λzz Určení p Zformulujte nějakou silovou okrajovou podmínku. Např.: Naše protahovaná céva byla zatížena nulovým transmurálním tlakem. λ Čili σ rr = 0 rr W p = λ rr 0

Výpočtový model Modelováodezva napětí σ MOD Nyní dosaďme z kinematických podmínek a je hotovo. λ rr = λϑ Θ λ λ λ = 1 λ = λ = rr ϑθ zz ϑθ rr 1 λ zz MOD σ = zz? σ zz = J 2 1 µ J λ m zz λzz 2 2 λ + 3 zz λzz m

Vyrovnánínaměřených dat Jak z pozorováníodhadneme µa J m? Předepnutí in situ

Vyrovnánínaměřených dat Vyrovnání pozorování modelem regresní analýza Nejčastějšízpůsob odhadu neznámých parametrůje pomocímetody nejmenších čtverců. Postup je takový, že optimalizujeme účelovou funkci Q (součet čtverců odchylek modelu a pozorování) tak, abychom získali odhady neznámých parametrů, které minimalizují Q. Ve světě, kde neexistují chyby měření a podmínky experimentu jsou dokonale kontrolovány, bychom v případě dokonalého modelu dospěli ke Q = 0. n EXP MOD (,,..., ) = 1 2 (,,..., k i i 1 2 k ) i= 1 ( ) Q a a a f f a a a 2

Vyrovnánínaměřených dat Vyrovnání pozorování modelem regresní analýza Často zavádíme váhové koeficienty w n EXP MOD ( α, α,..., α ) = ( α, α,..., α 1 2 k i i i 1 2 k ) Q w f f i= 1 ( ) Důvodem bývá buď to, že některá pozorování jsou jistější než jiná (jistějším přiřadíme vyšší váhu), nebo skutečnost, že účelová funkce obsahuje veličiny nestejných řádů či fyzikálních rozměrů. V takovém případě slouží váhy k normalizaci problému. 2

Vyrovnánínaměřených dat Minimum Q můžeme hledat jakkoliv třeba metodou pokusu a omylu. Velice užitečnéale býváoprášit znalosti matematickéanalýzy a úlohy o hledání extrému funkce více proměnných. Q Q Q = 0 = 0... = 0 α α α 1 2 k a 1, a 2,..., a k Existuje mnoho metod, od primitivního půlení vícerozměrných intervalů až po kombinace analýzy a metod umělé inteligence (expertních systémů). Důležitý je stupeň nelinearity (nelinearita parametrů α k ) a počet parametrů. MATLAB i MAPLE mají pro tyto úlohy předpřipravené příkazy.

Vyrovnánínaměřených dat Elongace aorty n ( µ ) ( σ σ ( µ )) 2 n EXP MOD EXP Q, J =, J = σ m zz, i zz, i m zz, i i= 1 i= 1 J 2 1 µ J λ m zz, i λ zz, i 2 2 λ + 3 zz, i λ zz, i m 2 Jedná se v naší úloze o lineární nebo nelineární problém? Je zjevné, že úloha je lineárnív µ(tak jak je v něm lineárnípředpis pro W) a nelineární(racionálnívýrazy) v J m.

Vyrovnánínaměřených dat Elongace aorty Pokud jste si jižsami neurčili, zde je vektor pozorovaných napětíurčených ze vztahu: λ zz F/S, kde S = obvod tloušťka sigma kpa 0.000 2.938 5.474 8.196 10.996 13.844 16.652 19.582 22.438 25.405 31.268 37.256 43.260 49.806

Vyrovnánínaměřených dat Elongace aorty Sestavením funkce Q a využitím příkazu NLPSolve s počátečním odhadem J m = 0.5 a µ = 10 kpa dostaneme (blízké počáteční odhady, zvláště při použití Newtonovy metody, bývají velice užitečné takové odhady ovšem nelze stanovit bez dobrého fyzikálního porozumění problému): Skutečnénapětí σ zz [kpa] J m = 0.3778 a µ= 14.30 kpa λ zz [ ]

Vyrovnánínaměřených dat Ohodnocení úspěšnosti regrese Jde-li o lineární problém, bývá nejčastěji využíván výběrový lineární koeficient korelace R. R = n ( x x )( y y i i ) i= 1 ( n 1) S S x y R 1; 1

Vyrovnánínaměřených dat Ohodnocení úspěšnosti regrese Pro nelineární problém bývá nejčastěji využíván koeficient determinace. R = 1 n 2 i= 1 n i= 1 ( EXP MOD f f ) i i ( EXP EXP f f ) i i 2 2 Ten poměřuje modelem nevysvětlený rozptyl (residuální součet čtverců) celkovým rozptylem. Kdyby byla všechna variance pozorování vysvětlena modelem, nabyl by hodnoty 1. 2 R = 0985.

Vyrovnánínaměřených dat Ohodnocení úspěšnosti regrese Všechno, co lze o výsledku regrese usuzovat, je obsaženo v datech. Základem hodnocení je vždy analýza reziduí. http://staff.utia.cas.cz/novovic/files/skmain.pdf most.ujep.cz/~popelka/statistika2011_7.pptx http://home.zcu.cz/~sediva/pse/pse_pr12.pdf