Title: Extension of a parallel nonlinear finite element simulation software for human bone
Language: English
Authors: Bina, Markus
Qualification level: Diploma
Keywords: FEM; finite elemente; MPI; HDF; Knochen; non-linear; nonlinear
FEM; finite elemente; MPI; multi-process; HDF; human; bone; non-linear; nonlinear
Advisor: Pahr, Dieter 
Assisting Advisor: Gross, Thomas
Issue Date: 2013
Number of Pages: 79
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Erweiterung der Ausgabe, Analyse und Weiterverarbeitungsmöglichkeiten von Ergebnissen der parallelen, nicht-linearen Software Olympus, welche ursprünglich von Mark Adams geschrieben wurde.
Olympus wurde entworfen um die Verformung von menschlichen Knochenproben mit einer riesigen Anzahl an Unbekannten unter vorgegebenen Randbedingungen zu untersuchen.
Dennoch kann Olympus auch für Probleme außerhalb der Biomechanik verwendet werden.
Im Verlauf dieser Arbeit wurde daher der Postprocessing- und Ausgabeteil von Olympus erweitert und neu geschrieben.
Ursprünglich wurde in Olympus das Softwarepaket SILO verwendet um die Simulationsergebnisse verteilt in mehrere Dateien zu schreiben.
Um die Ergebnisse nach der Simulation zu visualisieren wurde VISIT benutzt.
Obwohl dies während der laufenden Simulation hoch effizient ist, erhöht es den Aufwand die Simulationsergebnisse nach der eigentlichen Simulation weiter zu verarbeiten.
Daher wurde der Ausgabecode komplett neu geschrieben und nutzt nun das hierarchical data format, kurz HDF, zur Ausgabe aller Ergebnisse einer Simulation in eine einzige Datei.
Dabei wurde darauf geachtet die Daten ähnlich einem existierenden FE Paket (parFE) zu gestalten.
Die weite Verbreitung von HDF in vielen kommerziell vertriebenen und weit verbreiteten Softwarepaketen ermöglicht es dem Benutzer die Daten mit einem Programm seiner Wahl weiterverarbeiteten zu können, anzuzeigen oder zu visualisieren. Ebenso ist die Weitergabe einer einzigen Datei, im Vergleich zu einer Sammlung von Dateien, wesentlich einfacher.
Weiters wurde das Postprocessing in Olympus stark erweitert um nicht nur Verschiebungen, Spannungen und Dehnungen sondern auch andere Größen wie von Mises Spannung, Energiedichten und Knotenkräfte auszugeben.
Zusätzlich wurde Olympus noch erweitert um nicht-lineare Geometrien in Simulationen berücksichtigen zu können.
Damit ist es dem Benutzer möglich nicht nur lineare sondern auch nicht-lineare Materialien und Geometrien in seiner Simulation zu verwenden.
Der erste Teil dieser Arbeit bietet eine Schritt für Schritt Behandlung der Finite Elemente Methode (FEM), Parallelisierung und Gleichungslöser.
Nach der Implementierung wurde die Software getestet und anhand von linearen und nicht linearen Simulationen von menschlichen vertebralen Knochen sowie einem medizinischen Implantat verifiziert.
Damit wurde gezeigt, dass es möglich ist alle Ergebnisse der Simulation in eine einzige Datei zu schreiben.
Unglücklicherweise kann es dazu kommen, dass während der Ausgabe ein Prozess auf andere warten muss. Obowhl dies nicht effizient ist erhält man doch eine einzige Datei, welche sehr einfach weiterverarbeitet werden kann.
Zusammenfassend wurde der Übergang von SILO zu HDF erfolgreich durchgeführt.
Obwohl die Ausgabe per HDF vom numerischen Standpunkt ein wenig ineffizienter ist, ist eine einzige wohl strukturierte Datei für den Benutzer praktischer.

This work extended the parallelized, nonlinear finite element software Olympus originally written by Mark Adams with respect to the output, analysis and postprocessing possibilities.
The software was initially designed to calculate the mechanical response of human bone subjected to a given force or displacement, featuring a large number of degrees of freedom. But it can be used also in other problem areas. In the course of this thesis the postprocessing and the output module have been rewritten and replaced.
Olympus utilitzed the software package SILO to write the simulation results to multiple files and uses VISIT for the visualization. Although this procedure is computationally efficent during runtime it adds significant difficulties and increases the effort of postprocessing or customized rendering of the results.
Thus the output code has been rewritten to write a single hierarchical data format (HDF) file per simulation, where care has been taken to structure the data in file similar to an existing FE package - parFE.
Since HDF is widley used and available in many commercial software products it can be viewed, rendered or processed easily by programs of the users choice (e.g. Paraview).
Additionally the postprocessing in Olympus has been extended to not only write displacement, strain and stress, but to also write quantities such as von Mises stress, strain energy density and reaction forces.
Olympus has also been extended to cover large deformations (nonlinear geometry).
Thus it is possible to simulate the deformation of human bone using nonlinear material definitons and nonlinear geometry.
In the first part of this work things like the FE method, nonlinearity, parallelization, solution techniques are revisited step by step. After implementation the software was tested and verified on linear and nonlinear simulations of human vertebral bone as well as medical implants.
It was found that it is possible to write the output from every process directly into one output file. Unfortunately, during this write procedure other processors might have to wait which is not efficient but one final HDF file is obtained which can be easily post-processed. In conclusion the transition from SILO to HDF output was done successfully for Olympus/FEAP. It was found that this way is slightly less efficient from the numerical point of view but more convenient for a user.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-50634
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9498
Library ID: AC10774688
Organisation: E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

10
checked on Feb 18, 2021

Download(s)

72
checked on Feb 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.