• No results found

Evaluation of contact definitions in a Finite Element model of the human cervical musculature

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Evaluation of contact definitions in a Finite Element model of the human cervical musculature"

Copied!
71
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Evaluation of contact

definitions in a Finite

Element model of the

human cervical

musculature

Victor S. Alvarez

Degree project in

Solid Mechanics

Second level, 30.0 HEC

 

Supervisors:

Peter Halldin

Svein Kleiven

(2)

 

Evaluation of contact definitions in a Finite

Element model of the human cervical

musculature

Victor S. Alvarez

Degree project in Solid Mechanics Second level, 30.0 HEC Stockholm, Sweden 2012

Abstract  

The  human  neck  is  especially  vulnerable  to  severe  injuries  why  it  is  of  interest  to  gain  a  better  understanding  of  the  injury  mechanisms  involved.  A  3D  Finite  Element  (FE)  model  including  the  geometry of the individual neck muscles has been developed at Kungliga Tekniska Högskolan (KTH)  and gives the possibility to study the strains inside the muscles. However, in this model the muscles  are  only  hindered  to  interpenetrate  and  can  glide  relative  each  other  with  a  roughly  estimated  coefficient of friction. The focus of this thesis has been to modify the FE‐model in order to model the  connectivity  on  a  physiological  basis  using  methods  available  in  the  used  FE‐software.  The  main  reason for this was to get a more realistic muscle displacement without separations that are present  in the current model.  

The  connective  tissue  surrounding  and  connecting  the  muscles  was  modeled  with  two  principal  approaches. The first was based on a combination of FE‐contacts where the material properties were  coupled  to the stiffness of the  FE‐contacts.  The other approach  was based on a new element  type  called  Smoothed  Particle  Hydrodynamics  (SPH)  elements  in  combination  with  FE‐contacts.  Both  approaches  showed  that  the  structural  stiffness  did  not  increase  significantly,  but  the  strain  levels  where  somewhat  elevated.  Stability  issues  arouse  with  deleted  elements  and  negative  element  volumes  causing  the  FE‐contact  based  approach  to  fail  prematurely.  The  SPH‐based  approach  had  fewest  deleted  elements  and  completed  the  simulation  but  increased  the  calculation  time  with  approximately 50 %.  

It was concluded that the implementation of a connection between the muscles had a relatively low  influence on the strains and kinematics of the neck and could be used to avoid muscle separations. 

The  influence  on  stability  of  the  model  was  however  more  evident  and  the  most  stable  result  increased the calculation time significantly. 

(3)

Utvärdering av kontaktdefinitioner i en Finita

Element model av den mänskliga

nackmuskulaturen

Victor S. Alvarez

Examensarbete i Hållfasthetslära Avancerad nivå, 30 hp Stockholm, Sverige 2012

Sammanfattning 

Den mänskliga nacken är en väldigt sårbar del av kroppen och det är därför av stort intresse att lära  sig  mer  om  de  olika  skademekanismerna  inblandade.  På  Kungliga  Tekniska  Högskolan  (KTH)  har  en  3D Finita Element (FE) modell utvecklats som inkluderar musklernas geometri och ger möjlighet att  studera töjningarna inuti musklerna. Men i denna modell hindras musklerna endast från penetration  och kan glida relativt varandra med en grovt uppskattad friktionskoefficient. I detta examensarbete  har fokus legat på att modifiera FE‐modellen för att modellera sammanbindningen mellan musklerna  på  en  fysiologisk  basis  med  hjälp  av  tillgängliga  metoder  i  den  använda  FE‐mjukvaran.  Huvudmålet  med  detta  var  att  uppnå  mer  realistiska  muskelrörelser  utan  separationer  som  uppstår  i  den  befintliga modellen. 

Den bindvävnad som omger och binder samman musklerna modellerades med två grundstrategier. 

Den första var baserad på en kombination av FE‐kontakter där materialegenskaperna kopplades till  styvheten  i  FE‐kontakterna.  Den  andra  strategin  baserades  på  en  ny  elementtyp  kallad  Smoothed  Particle  Hydrodynamics  (SPH)  i  kombination  med  FE‐kontakter.  Båda  strategierna  visade  att  den  strukturella styvheten inte ökade med några signifikanta nivåer, men töjningsnivåerna ökade något  mer.  En  del  stabilitets  problem  uppstod  som  gav  raderade  element  och  negativa  elementvolymer  vilket  ledde  till  att  den  FE‐kontakt  baserade  strategin  kraschade  innan  simuleringen  slutförts.  Den  SPH‐baserade strategin resulterade i minst antal raderade element och slutförde simuleringen men  ökade beräkningstiden med c.a. 50 %. 

Det  fastställdes  att  implementeringen  av  de  nya  metoderna  hade  en  relativt  liten  påverkan  på  töjningar  och  kinematiken  hos  nacken  och  kan  användas  för  att  undvika  muskelseparationer. 

Inverkan  på  stabiliteten  hos  modellen  var  dock  mer  märkbart  och  det  stabilaste  resultatet  ökade  beräkningstiden betydligt. 

(4)

Contents 

Introduction ... 5 

Objective ... 6 

Dynamic Finite Element Method ... 6 

FE‐Contact ... 9 

Penalty Method ... 10 

LS‐DYNA Contact Definitions ... 11 

Smoothed Particle Hydrodynamics ... 12 

Cervical Region ... 14 

Cervical Musculature ... 15 

Connective Tissue ... 15 

Dissection ... 20 

Methods ... 22 

Tiebreak Contact ... 22 

SPH‐Elements ... 23 

Modeling Approaches ... 24 

Single surface ... 24 

Tiebreak ... 24 

Tiebreak and single surface ... 25 

SPH and single surface ... 25 

SPH ... 25 

Material Parameters ... 26 

Material Validation ... 28 

Two Muscle Model ... 29 

Full Neck Model ... 30 

Results ... 31 

Material Validation ... 31 

Two Muscle Model ... 34 

Load in z‐direction ... 34 

Bending ... 38 

Full Neck Model ... 41 

Discussion ... 47 

Material Validation ... 47 

Two Muscle Model ... 47 

(5)

Full Neck Model ... 48 

Conclusions ... 50 

Material validation ... 50 

Two Muscle Model ... 50 

Full Neck Model ... 51 

Final Conclusions ... 51 

Future Work ... 52 

Bibliography ... 54 

Appendix A –  MATLAB code for finding nodes to be included in the tiebreak contact ... 56 

Appendix B – MATLAB code for finding nodes to be defined as SPH‐elements ... 63 

Appendix C – Maximum displacements for two muscle model ... 64 

Appendix D – Figures from the two muscle model ... 66 

Appendix E – Relative vertebrea rotations ... 69   

 

 

(6)

Introduction 

The human neck is responsible for the mobility and flexibility of the head and the general kinematics  of  the  head  and  neck  is  a  product  of  all  components  that  comprises  it,  such  as  muscles,  vertebrae  and  vertebral  discs.  But  this  flexible  construction  also  makes  it  vulnerable  to  trauma  and  since  the  neck connects the brain with the rest of the body this can lead to serious injuries. If  it affects the  central  nervous  system  this  can  lead  to  partial  or  total  paralysis  and  even  death,  as  well  as  more  diffuse damages to the spine or soft tissues that still can have grave impact on a person’s life. It is  therefore  important  to  study  and  learn  more  about  the  injury  mechanisms  of  the  head  and  neck  which amongst other thing could lead to better protection systems. Traditionally the main sources of  information  aimed  to  understand  injury  mechanisms  and  develop  protection  systems  have  been  experiments with volunteers, cadavers or detailed dummies. The problem with these methods is that  they  have  many  deficiencies  and  are  often  time  consuming  and  expensive  (Hedenstierna,  2008).  A  powerful  supplement  to  the  conventional  methods  is  numerical  computer  models  where  loading  conditions  and  system  variables  are  easily  controlled.  They  can  also  be  used  in  cases  where  it  is  impossible to use voluntary experiments or cadaver tests.  

The  main  problem  with  numerical  modeling  is  the  complex  nature  of  human  tissues  with  a  non‐

homogenous material composition and very non‐linear material behavior. And in the muscles there is  not only the passive elasticity to take into account as in conventional engineering materials, but the  active part that contracts the muscle depending on signals being sent throughout the body. Several  mathematical  models  of  the  human  body  have  been  constructed  with  different  approaches  and  levels of detail. Amongst the ones that include the muscles of the neck, the predominant approach  has been to use discrete spring elements with non‐linear constitutive relationships, where later, the  active  and  viscoelastic  properties  have  been  integrated  (de  Jager,  2000;  Brolin,  2002).  With  increasing computational power it has become possible to increase the complexity and detail of the  models. 

One  of  the  latest  models  of  the  head  and  neck,  is  a  3D  Finite  Element  (FE)  model  developed  at  Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) with continuum material properties that has been first to include  the  actual  geometry  of  the  cervical  musculature  with  the  use  of  MR  images  (Hedenstierna,  2008). 

This approach has many advantages such as improved kinematic compliance and possibility to study  tissue  injuries.  It  can  also  be  used  in  educational  purposes  where  different  injury  scenarios  are  simulated  so  that  for  example  medical  students  can  get  a  better  understanding  of  the  injury  mechanisms.  There  is  currently  a  project  being  developed  at  KTH  partly  for  this  purpose  (STH,  department  of  Neuronics,  2012).  The  model  has  had  a  good  level  of  success  in  validation  with  volunteer  testing  (Hedenstierna,  2008)  but  some  aspects  can  still  be  improved.  For  example,  the  activation pattern of the muscles still remains to be modeled on a more physiological basis. Another  aspect  is  that  the  material  model  currently  used  is  a  combination  of  two  existing  program  defined  models available in the used software. A more complex material model might increase the certainty  in the material behavior and thus the certainty in the response on a global and local scale. 

Another aspect that has not yet been modeled in detail is how the muscle groups are connected to  each other and other surrounding tissue. In the current KTH model there is only a simple interaction  in the form of FE‐contacts that avoids interpenetrations and implements friction but with a roughly  estimated  coefficient  of  friction.  This  contact  leads  to  the  possibility  of  separations  between  the 

(7)

muscle parts and is observed in collision simulations where the muscles buckle and separate on large  scales.  This  is  not  considered  physiological  and  makes  it  hard  to  use  for  educational  purposes.  An  improvement on this aspect has the possibility of producing a more realistic muscle deformation and  making the model more usable as a visualization tool. It is also possible that it changes overall passive  stiffness of the neck and the strain distribution within the muscles.  

Objective 

The  main  focus  of  this  thesis  has  been  to  find  methods  that  can  model  the  connectivity  of  the  muscles on a more physiological basis in the 3D FE‐model created by (Hedenstierna, 2008) using the  FE‐software  LS‐DYNA. The main  goal  of this is to improve the  displacement pattern of  the  muscles  and hence reduce the muscle separation. A sub‐objective has also been to investigate what effects  these  changes  can  have  on  general  kinematics  and  muscle  strains.  To  confine  the  problem  the  restrictions have been to use contact definitions, elements and materials available in LS‐DYNA. 

Dynamic Finite Element Method 

The Dynamic FE‐method, similar to the conventional FE‐method, is a numerical approximate method  for solving Partial Differential Equations (PDE). In solid mechanics this is used to solve the stresses,  stains  and  deformation  of  a  body.  In  the  following  section  this  is  briefly  explained  and  for  a  more  detailed description the reader is referred to (Kleiven et al., 2001) or other literature on the subject.  

The  concept  of  stresses  and  strains  can  most  easily  be  explained  in  one‐dimension,  but  can  be  generalized to three‐dimension with little effort.  

 

Figure 1. A one‐dimensional body exerted to the body force q(x) and external forces at boundaries. 

The stress σ(x) in a point in a body in figure 1 is defined as the force F(x) in a cross section divided by  its area A(X) as 

    (1) 

and the strain ε(x) is defined as 

  .  (2) 

where u(x) is the displacement. The stress and strain is then coupled with a constitutive relation as 

  L 

q(x)  x, u(x) 

f  f 

dx 

F(x)  F(x+dx) 

dx  A(x) 

dx+du(x)  After deformation 

q(x) 

(8)

  (3) 

where E(x) is the material description. If the relationship between σ and ε is linear then E is called the  Young’s modulus. 

Combining  equations  (1)‐(3)  with  the  equilibrium  equation  leads  to  a  second  order  differential  equation in the displacement u called the strong formulation of the governing equation (Kleiven et  al., 2001). In the principal of virtual work this equation is multiplied with an arbitrary scalar function  called a weight function v(x) and integrated over the entire domain resulting in the weak formulation  and is for the one‐dimension case 

  0 0 .  (4) 

This  equation  could  be  solved  with  a  displacement  assumption,  but  for  most  boundary  value  problems it is not possible to find a displacement assumption that satisfies the governing differential  equation  and  all  the  boundary  conditions.  Therefore  the  domain  can  instead  be  divided  into  subdomains,  or  finite  elements,  for  which  simpler  assumptions  can  be  made  that  also  fulfills  continuity over subdomain boundaries. For the one‐dimensional example the approximation for the  entire domain can be written as 

 

  (5) 

where ui is a discrete value at point i, or nodal value, of u and Ni is a so called element shape function. 

Applying this to equation (4) yields   

  (6) 

where  

    (7) 

and 

  0 0   (8) 

Equation (6) can also be written on matrix form as 

  (9) 

and  if  the  shape  function  is  chosen  with  certain  properties  the  integration  can  be  made  over  each  element  instead  of  the  entire  structure  and  the  components  are  summed  up  in  so  called  stiffness  matrix assembly (Kleiven et al., 2001). The resulting equation however is still as equation (9) but with  larger matrices. Similar derivation can be made for two and three dimensions.  

(9)

A general three‐dimensional body as in Figure 2 can be approximated as an assemblage of discrete  finite elements interconnected with nodal points. 

 

Figure 2. General three dimensional body with an 8‐node three‐dimensional element (Kleiven et al., 2001). 

The displacement in the local coordinate system x, y, z can then be written as 

  , , , ,   (10) 

where N(m) is the displacement interpolation matrix for element m and Û is the vector of the three  global displacement components at all nodal points. Then the element strains become 

  x, y, z ∂ , , ∂ , , , ,   (11) 

and the stresses 

    (12) 

where C(m) is the elasticity matrix of element m and σI(m) are the given element initial stresses. Now  the principal of virtual of virtual displacement can be applied which states that for a body to be in  equilibrium it is required that for any compatible virtual displacement, the total internal virtual work  be equal to the total external virtual work (Kleiven et al., 2001). By including the element inertia and  by  approximating  the  element  velocities  and  accelerations  in  the  same  way  as  the  element  displacement  in  equation  (10),  the  principal  of  virtual  displacement  leads  to  the  equilibrium  equations as 

    (13) 

where M is the mass matrix given by 

    (14) 

where V(m) is the volume of element m and K is the stiffness matrix given by 

    (15) 

(10)

and F is the load vector as   

,…

 

(16) 

where  f B(m)  is  the  body  forces  for  element  m  and  f S(m)  is  the  surface  forces  for  element  m.  The  equations in (13) can then be integrated in a step‐by‐step procedure where the time derivatives are  approximated by taking the differences of displacements at various instants of time with a method of  choice. 

For large deformations, finite strains Fij in multiple dimensions can be described by the deformation  gradient as 

    (17) 

where  xi  is  the  deformed  coordinate  and  Xj  is  the  reference  coordinate.  A  strain  tensor  commonly  used for solid elements, where large deformations occurs (Hallquist, 2006), is the Green‐St. Venant  strain tensor described by 

  1

2   (18) 

where Iij is the identity matrix. 

FE­Contact 

When  describing  the  contacts  in  FE‐Analysis  terms  frequently  used  are  slave  and  master.  This  is  a  way  of  distinguishing  between  two  entities  in  contact  and  can  be  in  terms  of  nodes,  surfaces  or  segment  (segments  can  be  a  general  area  comprised  of  a  number  of  nodes).  The  reason  to  call  it  slave and master is because the nodes on the slave side are the ones that are in some way forced to  follow  the  master  side.  This  is  however  dependent  on  the  formulation  used  and  not  always  a  necessity. The constraints used to force the bodies to interact are applied on the nodes, as all other  external forces. 

In LS‐DYNA there are three different methods for handling contacts between bodies. These are, the  kinematic constraint method, the distributed parameter method and the penalty method (Hallquist,  2006).  

The kinematic constraint method imposes constraints on the global equations by a transformation of  the slave nodes displacements components along the contact interface. It is a very stiff formulation  because the nodes are constrained to move with the surface. No way has been found to control this  stiffness why this method is not considered to be of use in this thesis.  

(11)

10 

The distributed parameter mass method is also based on constraints, but uses a method of imposing  constraints on the accelerations and velocities of the slave nodes to insure their movement along the  master surface. This method is disregarded for the same reasons as the kinematic constraint method. 

The last method will be the one of interest for the applications in this thesis since it allows for the  stiffness to be controlled and is briefly described below. 

Penalty Method 

The penalty method checks each slave node for penetration through the master surface, see Figure 3. 

 

Figure 3. Schematic figure of a contact surface (Kleiven et al., 2001). 

If a slave node is found to penetrate, an interface force is applied between the contact point and the  penetrating node. The magnitude of the force fs on the slave node is proportional to the amount of  penetration l as 

  (19) 

where ni is the normal vector of the master segment i and ki is the stiffness factor. 

Hence  this  can  be  considered  as  placing  interface  springs  between  the  penetrating  nodes  and  the  contact surface. The stiffness factor ki of these springs can in LS‐DYNA be calculated in three different  ways. The default setting is to express it in terms of the bulk modulus Ki, the volume Vi and the face  area Ai of the element that contains the master segment si that is being penetrated as  

    (20) 

which is for brick elements and fsi is the scale factor for the interface stiffness that can be changed  but is normally defaulted to 0.1. For shell elements the stiffness factor is given by 

 

max .  (21) 

There are also some options for setting the penalty stiffness value and they are: 

‐ Using the minimum of the master segment and slave node stiffness. (default) 

‐ Using master segment stiffness. 

‐ Using slave node value. 

‐ Using slave node value, area or mass weighted. 

Master surface  Material A 

Slave node  Material B

ni 

(12)

‐ Using slave node value, inversely proportional to the shell thickness. 

The  second  approach  is  called  soft  constraint  penalty  formulation  and  is  based  on  not  only  calculating  slave  and  master  stiffness  according  to  equation  (20)  or  (21),  but  also  an  additional  stiffness called the stability contact stiffness kcs given by 

  0.5 · · 1

Δ   (22) 

where SOFSCL is the scale factor for the soft constraint penalty formulation, m* is a function of the  mass of the slave node and the master nodes. ∆tc is set to the initial solution time step but if the time  step grows ∆tc is reset to the current time step in order to prevent unstable behavior. This stiffness is  then compared with the stiffness calculated with the first method and in general the maximum of the  two is chosen as the used stiffness. 

The third approach is called segment‐based penalty formulation and uses a stiffness as 

  0.5 · · 1

Δ   (23) 

where SLSFAC is the same scale factor as fsi and SFS and SFM are a scale factors for slave and master  segment  respectively  defaulted  to  1.0.  The  masses  m  here  are  segment  masses  rather  than  nodal  masses and is for solid element segments equal to half the element mass. Here ∆tis also set to the  initial solution time step, but it is only updated if the solution time step grows more than 5%. 

LS­DYNA Contact Definitions 

There  are  many  contact  definitions  in  LS‐DYNA  that  uses  different  methods  and  approaches.  The  ones  of  interest  in  this  thesis  are  described  in  this  section.  All  contacts  described  use  the  penalty  method. 

The first  contact  definition used is  denoted “CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE” and will be  referred to as singe surface for the remainder of the thesis. This contact only uses a slave side which  means that it searches for all slave nodes that penetrate through any surface on the same slave side  and applies an interface force on it but does not generate any force at separation. It is possible to  apply a coefficient of friction and to use any of the penalty stiffness formulations above. The theory  for the friction is not mentioned in detail since it is not a central part of this thesis but it is based on a  Coulomb  formulation  and  adds  an  interaction  force  to  the  nodes  in  contact.  For  more  details  the  reader is referred to (Hallquist, 2006). 

The second contact is denoted “CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE” and will be referred to  as  tiebreak  for  the  remainder  of  this  thesis.  This  contact  is  originally  developed  to  simulate  failure  which is not necessary for this application but can also be used to tie segments together using the  penalty method unlike other tied contacts. The reaction force for this contact is proportional to the  relative displacement between master segments and slave nodes and therefore it applies a penalty  force both in separation, penetration and relative sliding. The distance between the nodes in contact  can also be large and arbitrary. In this contact master and slave sides have to be defined and it is only  possible to use the standard penalty stiffness formulation given by equation (20). 

(13)

12 

The last contact is denoted “CONTACT _AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE” and will be referred to  as surface to surface for the remainder of this thesis. It works in a similar way as the single surface  contact with the exception that a slave and master segment have to be defined. 

Smoothed Particle Hydrodynamics 

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a so called mesh‐free computational method and has the  advantages over conventional mesh‐based methods in that it provides a simple and accurate solution  at large deformations and an easier discretization of complex geometries, amongst others. The idea  is that the continuum is described by individual particles that move in space and carry all computed  information,  and  thus  the  computational  frame  for  solving  the  partial  differential  equations  describing the continuum (Vesenjak and Ren, 2007). This is achieved by the fact that the exact value  of  any  function  f(x)  of  a  three‐dimensional  position  vector  x  can  theoretically  be  determined  by  taking the convolution of the function with the Dirac delta function δ(x‐xi) as 

  | Ω  (24) 

where 

  ∞,

0,   (25) 

But since the Dirac function is theoretical and hard to use in practice a so called smoothing function,  or Kernel function, W(x,h) is introduced in place of the Dirac function as a first approximation and is  non‐zero in a small domain and zero elsewhere and can for example be defined as 

  , 1

  (26) 

where d is the number of space dimension and h is the smoothing length determining the influence  domain of the smoothing function. When h goes to zero the kernel function can be approximated by  the Dirac function. A kernel function commonly used is the cubic B‐spline (Hallquist, 2006) which is  gained by choosing Θ as 

  1 3

2 | | 1

1

4 2 1 | | 2

0 2 | |

  (27) 

where  C  is  a  constant  given  by  normalization  and  depends  on  the  number  of  space  dimensions. 

Applying the Kernel function and further approximating the function f(x) to be solved numerically by  discretization of the continuous domain Ω into small patches as 

  ∆Ω   (28) 

where mj is the mass and ρj is the density of particle j. The particle i has the position xi(t) moving in  the vector field v. This yields the so called particle approximation of the i‐th particle as 

(14)

  ,   (29) 

where N is the number of neighboring particles and the approximation of gradients of a function is   

  (30) 

Equations  (29)  and  (30)  are  applied  to  the  equations  of  conservation  and  give  the  local  continuum  properties as the sums of particles contributions. For example the momentum conservation equation  is given by 

  1

  (31) 

where v is the velocity vector and α, β are the space indices, and the particle approximation becomes 

  , ,

  (32) 

where 

  1 || ||

.  (33) 

The energy conservation equation is 

    (34) 

where P is the pressure and the particle approximation becomes   

  (35) 

The  SPH  method  has  some  numerical  difficulties  like  particle  inconsistency,  inaccuracy  at  domain  boundaries  and  instabilities  at  tensile  stress  state  (Vesenjak  and  Ren,  2007).  The  stability  and  accuracy also depend on the particle density within the influence domain and the time step of time  integration  scheme.  Another  problem  at  large  deformation  is  the  change  of  number  of  particles  in  the influence domain. If they are compressed the number of particles increase, leading to increased  calculation times. And at tension they decrease, leading to lowered accuracy and stability problems. 

Therefore  h  varies  in  time  and  space  in  order  to  maintain  approximately  the  same  number  of  particles  in  the  influence  domain  (Vesenjak  and  Ren,  2007).  The  influence  domain  is  defined  as  2h  (Lacome,  2001)  and  the  equation  that  governs  the  smoothing  length  is  based  on  keeping  the  total  mass M of n particles within a sphere with volume V constant. The mass in the sphere is given by 

  32

3   (36) 

(15)

14 

and too keep this constant over time equation (36) is differentiated in time as 

  32

3

32

3   (37) 

where  the  left  hand  side  is  zero  because  of  mass  conservation  and  with  some  simplifications  this  leads to 

  1

3   (38) 

where div(v) is the divergence of the flow. The initial smoothing length h0 is calculated by LS‐DYNA in  the  initialization  phase  and  is  computed  by,  for  each  particle,  searching  the  shortest  distance  to  another  particle.  The  largest  values  of  these  distances  is  then  denoted  L  and  is  then  scaled  with  a  factor defaulted to 1.2, giving the initial smoothing length. The initial smoothing length can also be  set  to  a  user  defined  value.  The  mesh  of  SPH‐element  should  be  as  regular  as  possible  and  not  contain large discrepancies of the mass between the particles (Hallquist, 2006). 

Cervical Region 

The  human  backbone,  or  vertebral  column,  is  divided  into  five  regions  (Seeley  et  al.,  2005)  and  consists of bones called cervical vertebrae separated by intervertebral disks. The region closest to the  head  is  called  the  cervical  region  and  the  region  below  is  called  the  thoracic  region.  The  main  functions of the vertebral column are to support the head and body, protect the spinal cord, provide  attachment sites for the muscles and permit movement of the head and body.  

 

Figure 4. The upper part of the vertebral column from C1 to T2 viewed from the left side. 

The vertebrae in the cervical region have smaller bodies than the rest of the column and the cervical  region  is  also  more  flexible  then  the  other  regions  making  it  more  vulnerable  to  dislocations  and  fractures.  The  vertebrae  in  the  cervical  region  are  named  C1  to  C7  with  C1  as  the  first  cervical  vertebra  closest  to  the  head  and  in  the  thoracic  region  they  are  named  from  T1  to  T12  as  seen  in  Figure 4. 

(16)

Cervic

The cerv basic ph of individ The mus layer  of  muscle  f contract tendons  bones. S

Figure 5. S

Conne

Surround consists  al., 2005 non‐fibr connecti short  co return to The con constitut structura enclosin

cal Muscu

vical muscula ysiology as t dual muscle  scle fibers ar connective  fibers  and  a tile  part  of  t  that consist Surrounding t

Structure of the

ective Tis

ding  all  the  mostly of ex 5). This mate

ous proteins ive  tissue,  co ollagen  fibers

o their origin nective tissu ting  compon al  support  in g and separ

ulature 

ature consis the rest of th

fibers and a e long, mult tissue  called are  comprise the  muscle  t largely of c the entire m

e skeletal musc

ssue 

specialized  xtracellular m erial has thre

s, other mole ollagen  fiber s  that  branc nal shape aft ue can be fou

nents  depen n  the  form 

ating.  As m

 

ts of the mu he skeletal m re surrounde inuclear cell d  endomysiu ed  of  two  lo called  the  s collagen fibe muscle is a co

cle. Figure mod

organs  in  th material tha ee mayor com

ecules and fl rs  which  are ch  and  form  er being stre und in many nding  on  loca

of  bone,  co entioned ab

uscles conne muscles. Each ed by a thin  s consisting  um,  see  Figu ong  and  ove sarcomeres  ers and trans

nnective tiss

dified from (wik

he  body  is  t t separates  mponents: p

uid. Three d e  somewhat  a  supportin etched. 

y different pa ation  and  fu

nnecting  tiss bove, it surro

ected to the  h muscle con layer of con largely of my ure  5.  Myofib rlapping  pro (Seeley  et  a sfer the forc sue called th

kibooks, 2012).

he  connecti the cells wit protein fibers ifferent type flexible,  ret ng  network  a

arts of the b unction.  Thes

sues  to  one ounds the sk

Muscl

cervical spin nsists of fasci

nective tissu yofibrils and brils  run  alo otein  chains al.,  2005).  T ces from the 

e epimysium

ve  tissue.  Th thin from on s, ground su es of fibers a icular  fibers  and  finally  e

body with va se  functions   another,  cu keletal musc

e fiber

ne and has t icles that are ue called per d are surroun ong  the  lengt .  These  buil he  fibers  en

muscle fibe m, see Figure

he  Connecti ne another (S

bstance con are generally which  are  v elastic  fibers 

rying amoun s  can  for  exa ushioning,  in les in three 

the same  e bundles  imysium. 

nded by a  th  of  the  d  up  the  nd  in  the  ers to the 

 5. 

 

ve  tissue  Seeley et  sisting of  y found in  very  fine,  that  can 

nts of the  ample  be  nsulating,  different 

(17)

16 

levels and in some sense creates compartments that separate these muscle components. This can be  seen in Figure 6 where the cross‐section of a muscle without its muscle proteins is shown. 

 

Figure  6.  Image  from  scanning  electron  micrographs  after  removal  of  skeletal  muscle  protein.  Top  left  shows  the  epimysium (EP) and in the bottom the perimysium (P) and the endomysium (E). The top right shows an enlargement of  the endomysium surrounding an individual muscle fiber (Kjaer, 2004). 

According  to  a  recent  study  (Guimberteau  et  al.,  2010)  the  connective  tissue  is  present  as  a  histological  continuum  throughout  the  body  with  no  clear  separation  between  the  skin,  the  hypodermis,  the  vessels  and  the  muscles.  Although  structures  that  allow  sliding  with  very  little  influence  on  surrounding  tissue  are  present  everywhere,  as  for  example  seen  on  the  skin  when  contracting a muscle. They propose that this continuum consists of a network of microvolumes and  microfibrils in a chaotic pattern that adapts when exposed to forces to preserve energy and fill space  in an optimal manner, see Figure 7. But since the function and composition of the connective tissue  can vary extensively throughout the body, so can the allowed sliding. It is widely accepted that the  main contributor for the transmission of the force generated in the muscle to the bones at its binding  sites  is  the  myotendinous  junction.  These  are  sites  that  connect  the  muscle  with  the  extracellular  connective tissue (Järvinen et al., 1991). The muscle fibers have also been shown to be connected to  the endomysium and the perimysium creating pathways that can transmit forces within the muscles  (Purslow, 2002) and therefore the muscle fibers cannot be seen as independently working units.  

 

Figure 7. The multimicrovacuolar system of the connective tissue (Guimberteau et al., 2010). 

(18)

It has also been shown that forces can be transmitted to adjacent muscles via the epimysium and the  extracellular  matrix  of  a  muscle  to  surrounding  non‐muscular  elements  of  so  called  compartments  containing  a  group  of  muscles  (Maas  et  al.,  2001)  and  even  antagonistic  muscles  (Huijing,  2009; 

Yucesoy  et  al.,  2010).  A  consequence  is  that  length–force  characteristics  may  differ  for  an  isolated  muscle  in  situ  and  the  same  muscles  in  vivo.  That  is  to  say  it  is  dependent  on  not  only  its  own  material  properties  but  also  on  the  surrounding  muscles.  It  is  also  dependent  on  the  properties,  configurations  and  connective  tissue  structure  in  its  direct  environment.  The  resulting  mechanical  behavior  of  the  muscles  is  therefore  determined  by  the  properties  of  the  fibers,  the  extracellular  matrix and the interactions between these (Gao et al., 2008b). In order to study the extramuscular  force transmissions a FE‐model was created by (Yucesoy et al., 2003). The muscle extensor digitorum  longus  from  the  left  anterior  crural  compartment  of  a  rat  was  modeled  with  three  times  six,  solid  eight  node  elements.  These  were  connected  with  2‐node  spring  elements  with  uniaxial  and  linear  stiffness  characteristics  to  a  set  of  fixed  points  representing  the  adjacent  muscle.  The  simulations  were performed in the same manner as the experiments and the value of the spring stiffness k was  determined so that the simulations provided a good agreement with the experimental results, giving  a value of k=0.067 unit force/mm. 

In  another  recent  study  (Gao  et  al.,  2008a)  the  epimysium  is  modeled  as  a  material  consisting  of  ground substance containing pairs of wavy collagen fibers. These are distributed in different angles  to  the  muscle  fiber  direction  and  allow  straightening  and  reorientation  of  the  collagen  fibers.  The  model predicts experimental tests fairly well as seen in Figure 8. 

 

Figure  8.  Comparison  of  the  stress‐strain  relationship  of  the  epimysium  between  the  experimental  data  (Gao  et  al.,  2008a) and the prediction. 

The experimental studies were performed on young and old rats (Gao et al., 2008a). Small sections of  the  epimysium  were  dissected  from  tibialis  anterior  muscles  of  rats  and  each  end  of  the  samples  were attached to plastic holders with glue and stretched at a velocity of 10 mm/s. It was shown that  for  low  strains  the  main  contributors  to  the  tensile  strength  are  the  elastin  and  the  ground  substance. At high strains the collagen fibers are straightened and become the main contributor to  the tensile strength. These experiments show the tensile strength in plane of the connective tissue,  see Figure 9, and though it is not specified in what direction it is assume that it can be approximated  as transversely isotropic. However the tissues were also analyzed with electron microscope and thee  different layers were identified where the outermost (facing the epimysium of the adjacent muscle)  consists of bundles of collagen fibers aligned in a dominant direction, see Figure 10. 

(19)

18 

 

Figure 9. The stress‐strain relationship of the epimysium (Gao et al., 2008a). 

 

Figure 10. Schematic representation of the ultrastructure of the epimysium in rat TBA muscle. Inner is facing the muscle,  outer is facing epimysium of adjacent muscle (Gao et al., 2008a). 

The thickness of the epimysium was also measured and was almost the same for old and young rats,  29.7 ± 8.6 and 34.6 ± 14.6 µm respectively. From this study it is possible to extract an approximate  Young’s modulus of 0.7 Mpa, see Figure 11. 

(20)

Figure 11.

2008a). 

In a stud (see Figu cadavers different the heal with a si displace

Figure 12.

These te standard

. Young’s modu

dy performe ure 12) was  s  of  humans t points and  thy specime ize of 5 by 10

ments at a ra

 Figure of the h

ests showed  d deviation o

ulus E extracte

d by (Osamu extracted fro s  without  th

the average ens was 0.48  0 mm was m ate of 1 mm/

human carpal t

that in heal of 1.8 kPa.  

ed from the slo

ura et al., 20 om human p his  condition e was consid mm with a  mounted on 

/s 

tunnel. Figure m

lthy humans

ope of the curv

007) a piece  patients with n.  The  thickn dered as the  standard de plastic plate

modified from 

s the shear m

ve from the str

of the SubS h so called ca ness  of  the  s thickness of eviation of 0.

s and stretch

 

(thefreediction

modulus had Car

 

ress strain curv

Synovial Con arpal tunnel 

samples  wa f the sample 12 mm. The hed until fail

nary, 2012). 

d a mean va pal tunnel 

ve plotted by (

nective Tissu syndrome, a s  measured  e. The mean  e faces of SSC

lure under c

lue of 2.7 kP

(Gao et al., 

ue (SSCT)  and from  at  three  value for  CT pieces  ontrolled 

Pa with a 

(21)

Figure 13.

healthy ca

As  ment with ver the finge properti that  it  is moveme indicativ other via

Dissec

To  get  a nature o were de The con 2010), th

Figure 14.

. Representativ adaver specime

tioned  befor ry little effec ers should be

es of the co s  unclear  if  ent  in  which ve. But if all,

a the epimys

ction 

a  better  und of the connec

livered with  nective tissu hat covers al

 Picture showin

ve shear stress  en (Osamura et

re  it  is  proba t on surroun e able to mo onnective tis the  connect h  case  the  s  or some of sium, this val

erstanding  a ctive tissue, 

head and th ue truly seem

l muscles, te

ng the connect

against shear  t al., 2007). 

able  that  for nding tissue,  ove independ sue in the n tive  tissues  shear  modu f  the neck  m

lue should p

and  a  hands the dissectio he outer skin ms to be a co

endons etc. a

tive tissue on th

20 

strain curves. 

r  tendons  th which beco dently.  Altho neck, they co in  the  neck  lus  taken  fr muscles trans robably be h

s‐on  view  of  on of roe dea

 removed. 

ontinuous ne as a very thin

he neck of a ro

a) Patient spec

he  connective mes especia ough none of ould be used have  the  fu rom  (Osamu smit a  large  higher. 

how  the  m ar necks was

etwork, as su n layer (see F

e deer. 

cimens with ca

e  tissue  sho ally evident in

f these studi d as indicatio

unction  of  a ura  et  al.,  2 amount of  f

uscles  are  ti s performed

uggested by  Figure 14). 

   

arpal tunnel syn

uld  allow  m n the last stu ies show the on. The main allowing  inde 007)  might  forces betwe

ied  together . The dissect

 (Guimberte

ndrome, b) 

ovement  udy since  e material  n issue is  ependent  be  fairly  een each 

r  and  the  ted necks 

eau et al., 

(22)

It covers each individual muscle but also groups of muscle and finally the whole neck. Although to say  that it covers may be misleading since it is not individual capsules, but rather as if the space between  the  different  tissues  is  filled  with  this  material.  The  connective  tissue  can  also  be  said  to  be  a  continuation of a certain tissue that gradually changes composition as suggested by (Guimberteau et  al.,  2010).  For  example,  in  the  center  of  a  muscle  the  material  composition  is  as  described  for  muscles  but  towards  the  outer  part  of  it  the  composition  changes,  the  active  fiber  components  disappears  and  the  relative  amount  of  collagen  fibers,  elastin  fibers  and  background  material  changes  and  the  material  becomes  connective  tissue,  but  no  clear  line  can  be  found.  Continuing  towards another type of tissue, say a tendon, the composition continues to change and transforms  into the tendon tissue, which basically just has a different relative amount of the components that  make  up  the  connective  tissue  (Seeley  et  al.,  2005).  How  fast  this  transition  is  probably  differs  between  tissues,  anatomical  position  and  ultimately  physiological  function  but  is  quite  hard  to  determine. This appears to be the same for all other tissues as blood veins and fat which fills up some  of the space in‐between the muscles making all off the tissues one continuous entity. 

The resulting mechanical behavior of the interactions between the muscles is, because of the nature  of  the  connective  tissue,  quite  complicated.  But  during  examination  of  the  roe  deer  neck  one  observation  made  was  that  the  muscles  appear  to  be  able  to  slide  in  relation  to  one  another  with  little or no impact on the neighboring muscle when the relative displacement is not to large. This can  be seen in Figure 15 where a muscle is in rest in the first picture and deformed in the next. 

 

           

 

Figure 15. Figure showing the effect on surrounding tissue when deforming a muscle piece. No interference in A and a  muscle compressed in B.  

At  the  same  time  the  muscles  are  packed  relatively  tightly  and  even  if  it  is  possible  to  drag  them  apart it is hard to determine how strongly they are tied. It is also hard to determine how much of the  strength lie in the thin layer of connective tissue separating the pieces and how much is a result of all  the  tissues  and  complex  intertwining  of  them.  This  makes  it  very  hard  to  determine  the  stiffness  normal  to  the  muscle  tissue.  As  an  analogy  of  the  response  to  interaction,  one  can  imagine  a  thin  plastic  bag  filled  with  muscles  and  some  moist  which  is  emptied  of  air.  The  pieces  inside  can  be  moved relative to each other but cannot be truly separated since there is no air in the system. To be  able to see how the muscles are bonded, some of the fabric must be destroyed, as seen in Figure 16. 

   

Compressed   muscle tissue  No deformation 

A  B 

(23)

22 

 

Figure 16. Picture showing the layer between to muscle pieces. 

If a small piece of connective tissue is removed from the muscle it reveals that it in fact is very stiff  when stretched and also brittle, but the brittleness is probably because it is so thin. 

Combining the ideas of these different articles and dissection, it could be assumed that the tensile  stiffness in the plane comes from the outermost parts of the connective tissue. But since the amount  of  fibers  decreases  towards  the  middle  this  is  probably  what  is  responsible  for  the  weakness  in  shearing.  The  force  transmission  mentioned  by  (Maas  et  al.,  2001)  is  probably  varying  in  different  parts of the body but much of it could be assumed to come from the shear stiffness. No information  has  been  found  about  the  stiffness  of  the  connective  tissue  perpendicular  to  its  surface,  though  it  should  probably  be  lower  than  the  stiffness  in  the  plane  of  the  surface  since  the  shear  stiffness  is  much lower. Nevertheless the resistance against separation, i.e. the apparent stiffness between the  muscles is suggestively much higher than the stiffness perpendicular to the plane. The reason is that  the resistance would be a result of the entire connective tissue network and not only of a small sheet  of  tissue  between  the  muscles,  since  a  large  portion  of  the  resistance  can  come  from  tensile  stretching in the plane of the epimysium.  

Methods 

As for many other soft biological tissue the material properties of the connective tissue is complex,  non‐linear,  non‐isotropic  etc.  To  implement  this  material  in  the  current  neck  model  with  conventional  FE‐methods  would  be  difficult  since  it  requires  a  very  thin  sheet  of  elements  in‐

between  the  muscles  if  not  to  remodel  them  completely.  To  avoid  extremely  small  brick  elements  this would have to be done using shell elements but would then not correctly model the stiffness of  the  connective  tissue  normal  to  the  muscle  surfaces  since  they  are  two  dimensional.  But  from  the  information above a few ideas arose concerning how to mimic the connectivity amongst the tissues  in the neck with other approaches which are presented below. 

Tiebreak Contact 

One  approach  is  to  use  the  predefined  contact  definitions  available  in  LS‐DYNA  and  manipulate  different  options  in  order  to  get  appropriate  properties.  The  stiffness  can  then  be  represented  through the penalty stiffness and will be a linear stiffness which the connective tissue is evidently not. 

But  since  the  total  stiffness  of  the  neck  (with  vertebrae,  muscles  etc.)  is  several  times  larger  this 

(24)

would probably not be very noticeable. The stiffness of the connective tissue is also fairly linear in a  range of strain that the tissue could be assumed be exposed to during these simulations. 

The simplest way to implement this idea is to use a tiebreak contact between the surface nodes of  the solid elements and manipulate the penalty stiffness. But since there is only one penalty stiffness  factor this could lead to interpenetration amongst the muscles if the stiffness is set to low. From the  literature  studied  it  is  not  clear  if  the  connective  tissue  has  the  same  stiffness  in  normal  and  tangential direction, but from the dissection it is assumed that the apparent resulting stiffness is not  equal in shearing and in separation.  

The  first  issue  to  avoid  a  linear  stiffness  cannot  be  countered  without  making  a  new  contact  definition, and ports outside of this thesis. Interpenetrations on the other hand can be countered by  adding an extra single surface or surface to surface contact that prohibits the penetration but does  not affect the stiffness in separation and sliding. To easily implement the single surface contact the  solid elements can be covered with shell elements of very low thickness and a so called null material  that has very little influence, something that is already used in the current model to implement the  single surface contact. Another way to implement these extra contacts is to create segments on the  same  nodes  as  these  shell  elements  but  removing  the  actual  shell  elements  afterwards.  With  the  surface to surface contact a master and slave surface have to be defined. 

One  practical  difficulty  in  implementing  the  tiebreak  contact  is  that  every  individual  muscle  part  needs to be set as slave or master in contact with surrounding muscles. And since several muscles  are in contact with multiple muscles this leads not only a tedious work but also to the fact that many  muscles will have multiple contact definitions on single nodes. Moreover, since the tiebreak contact  ties nodes with large separation, the nodes on the side of the muscle not facing the adjacent muscle  can get tied to the contact surface. To counter these problems a small MATLAB program was created  that finds the nodes within a certain distance and outputs the master segments for each part and the  slave segments within the given distance, see Appendix A. 

SPH­Elements 

The other approach is to make use of the SPH‐elements and the fact that they describe a continuum  material without actually being tied together. This makes it possible to model the very narrow space  confined between the muscles as a 3D material. An easy way to achieve this is to define the nodes on  the surface of the muscles as SPH‐elements and set the volume of influence so that the neighboring  nodes on the same muscle and on the adjacent muscle fall inside this volume. The SPH‐elements can  then  be  given  a  material  property  of  choice  to  describe  the  connective  tissue.  However,  not  all  materials were found to be compatible with the SPH‐elements but two materials that are suitable for  the application and were found to work are an orthotropic linear‐elastic and a simple isotropic linear‐

elastic.  With  this  modeling  approach  there  are  also  some  risks  of  interpenetration  if  using  the  isotropic material for low values on the Young’s modulus that can be countered in the same way as  with the tiebreak‐based approaches above using additional contact definitions.  

One issue with this approach is that it was found that, when using the SPH‐elements, the simulation  time increased quite significantly. In an effort to counter this, another MATLAB program was created,  see  Appendix  B,  that  finds  only  the  nodes  on  the  neighboring  muscles  that  lie  within  a  certain 

(25)

24 

distance,  so  to  reduce  to  total  amount  of  SPH‐elements  used  and  thereby  the  simulation  time. 

Another difficulty with these elements is to implement the orthotropic material. This is because no  good way was found to define the material axes since, in LS‐DYNA, this is based on the nodes in the  corners  of  brick  elements  if  they  are  to  be  local.  The  only  solution  to  this  was  to  use  a  global  coordinate  system  roughly  aligned  with  the  desired  material  axes.  The  particle  distribution  in  the  initial SPH‐mesh is a problem hard to counter since the nodes on the surface of the muscles are not  uniformly  distributed.  Finally,  the  last  issue  is  that  no  data  was  found  on  the  relative  amount  or  density of connective tissue surrounding the muscles and therefore it was assumed to be the same as  the muscles, and the mass is then set to the density times the average volume between the muscles. 

Since the added mass will be fairly low and the strength of the connectivity is not affected by this, it  is not considered a big issue. 

Modeling Approaches 

Based  on  these  ideas  a  few  approaches  where  created  to  model  the  connective  tissue  in  order  to  compare their performance and find advantages and disadvantages.   

Single surface 

The  first  approach  simply  uses  what  is  in  the  current  neck  model  which  is  a  single  surface  contact  applied on shell elements comprised by the surface nodes of the solids muscle elements, as depicted  in  Figure  17.  A  coefficient  of  friction  of  0.3  is  used  and  the  approach  is  denoted 

“single_surface_original”.  This  approach  is  also  used  without  friction  and  is  then  denoted 

“single_surface_nofric”. The idea with these contacts is to have a reference that can show how the  new approaches affect the behavior of the overall model. Both using friction and not using friction  can show how much the friction in the current model is actually affecting the behavior. 

Figur 1:   

Figure 17. Schematic figure showing the nodes on the surface of solid elements constituting also shell elements. 

Tiebreak 

The  second  approach  uses  a  tiebreak  contact  implemented  on  surface  nodes  of  the  solid  element  and  is  denoted  “tiebreak_Ep”,  where  Ep  is  substituted  with  the  equivalent  value  of  the  Young’s  modulus  produced  by  the  penalty  stiffness.  As  for  all  approaches  using  the  tiebreak  contact,  the  nodes used in this contact are found with the MATLAB program previously mentioned. 

Solid element 

Shell element  Node i 

(26)

Tiebreak and single surface 

The  third  approach  is  to  use  the  same  tiebreak  contact  on  the  solid  elements  but  also  the  single  surface  contact  without  friction  on  the  shell  elements  from  the  original  model.  This  approach  is  denoted  “tiebreak_singlesurf_Ep”  where  the  Ep  is  the  same  as  above.  The  approach  is  also  implemented  by  replacing  the  shell  elements  with  segments  of  the  same  nodes,  for  which  it  is  denoted  “tiebreak_singlesurf_segments_Ep”.  An  extra  approach  was  also  created  using  the  same  shell  elements  only  without  the  single  surface  contact  applied  on  them  and  it  is  denoted 

“tiebreak_and_shells_Ep”. This approach does not try to model the connective tissue in any new way,  but is rather used in order to determine the effect of using multiple element and contact definitions  on the same nodes. The extra contact used in these approaches could also be implemented using the  surface to surface contact, but it is basically the same contact as the single surface. Although it could  give a slightly different result, because of searching algorithms and other unknown aspects, it would  not be possible to determine if it was a better way of modeling the connective tissue. It is also less  convenient  to  implement  because  a  master  and  slave  need  to  be  defined  which  would  be  tedious  work in the full neck model and is for these reasons omitted. 

SPH and single surface 

The fifth approach uses the SPH‐elements with the isotropic linear‐elastic material and has the same  single surface contact on shell elements as the first approach. It is denoted “SPH_isotropic_singleurf_ 

Ep” where the Ep is the Young’s modulus used in the material definition for the SPH‐elements. This  approach is, as the third approach, also implemented using segments instead shell elements for the  single  surface  contact  and  is  then  denoted  “SPH_isotropic_singleurf_segments_Ep”.  The  reason  to  use an isotropic material was to see if there are any advantages with this approach in comparison to  the contact based ones. 

SPH 

The sixth approach is also based on SPH‐elements but with the orthotropic material and is denoted 

“SPH_orthotropic_Eab_Ec”,  where  Eab  are  the  Young’s  moduli  for  the  two  global  material  axes  roughly  in  the  plane  of  the  muscle  surface  facing  the  adjacent  muscle  surface.  Ec  is  the  Young’s  modulus in the direction normal to the same surface. 

The  two  last  approaches  are  divided  into  two  groups,  one  with  SPH‐elements  on  all  the  nodes  covering  the  whole  muscles  surface  indicated  by  a  “full”  at  the  end  of  the  model  approach  description but before the Young’s modulus, as “SPH_***_full_ Ep” and one with only the nodes in‐

between indicated in the same manner but with “red”. This is mostly to verify a relationship between  the calculation time and the number of SPH‐elements. 

The reason that the orthotropic SPH approach does not have a version with contact is that the idea is  to  have  the  stiffness  in  normal  direction  high  enough  to  prohibit  interpenetration  on  its  own.  This  approach is included mostly to show on possible use of the SPH‐elements as it is not likely to function  very well being that the orthotropy will not follow the muscle movement. 

(27)

26 

Material Parameters 

Basis for the choice of parameters was the shear modulus G minus the standard deviation resulting in  G=0.9 kPa  found by (Osamura, et al., 2007), the Young’s modulus of E=0.7 MPa extracted from (Gao  et al., 2008a) and the spring stiffness of 67 N/m determined by (Yucesoy et al., 2003). To transform  the  shear  modulus  to  a  Young’s  modulus,  and  vice  versa,  a  homogenous  and  isotropic  material  is  assumed, since the used methods are based on a linear elastic approach, and the relationship is given  by 

  2 1 ν (39) 

where ν is the Poisson’s ratio and is set to 0.49 that is the value used for the muscles. This is since no  value was found for the connective tissue but is also probable since it is intimately connected to the  muscles.  From  the  shear  modulus  of  0.9  kPa  the  equivalent  Young’s  modulus  is  approximately  2.7  kPa and from the Young’s modulus of 0.7 Mpa the equivalent shear modulus is 0.2 MPa. The values  of  the  Young’s  modulus  can  then  be  coupled  to  the  penalty  stiffness  in  equation  (20)  with  the  following scheme. If the space between two 8‐node cubic solid elements is modeled with springs the  total force f between the solids can be described as 

  4 Δ (40) 

where  ∆x  is  the  displacement  in  the  direction  of  the  force,  the  factor  4  is  because  there  are  four  nodes  on  the  surface  and  k  is  the  spring  stiffness  which  is  equivalent  to  the  penalty  stiffness  kiEquation (40) is divided with the distance t between the solids and the area A of the solid element as  

  4 Δ

  (41) 

where 

    (42) 

and 

  Δ

.  (43) 

The  distance  t  should  be  the  thickness  of  the  samples  used  in  the  material  tests  performed  by  (Osamura  et  al.,  2007)  and  (Gao  et  al.,  2008a).  But  since  both  values  will  be  used  in  a  range  it  is  chosen as an educated guess to 0.2 mm which lies closer to the study by (Gao et al., 2008a) since it is  for  the  epimysium  of  a  rat  muscle  and  the  other  study  is  from  the  human  hand  but  not  the  epimysium. 

Combining equations (41), (42) and (43) with Hooke’s law given by 

  (44) 

and some minor manipulation the relation between the penalty stiffness and the Young’s modulus Ep  becomes 

References

Related documents

Generally, a transition from primary raw materials to recycled materials, along with a change to renewable energy, are the most important actions to reduce greenhouse gas emissions

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

Från den teoretiska modellen vet vi att när det finns två budgivare på marknaden, och marknadsandelen för månadens vara ökar, så leder detta till lägre

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Av tabellen framgår att det behövs utförlig information om de projekt som genomförs vid instituten. Då Tillväxtanalys ska föreslå en metod som kan visa hur institutens verksamhet

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

Parallellmarknader innebär dock inte en drivkraft för en grön omställning Ökad andel direktförsäljning räddar många lokala producenter och kan tyckas utgöra en drivkraft

Närmare 90 procent av de statliga medlen (intäkter och utgifter) för näringslivets klimatomställning går till generella styrmedel, det vill säga styrmedel som påverkar