Multi-body simulation of a canine hind limb: model development, experimental validation and calculation of ground reaction forces

Background: Among other causes the long-term result of hip prostheses in dogs is determined by aseptic loosening. A prevention of prosthesis complications can be achieved by an optimization of the tribological system which finally results in improved implant duration. In this context a computerized model for the calculation of hip joint loadings during different motions would be of benefit. In a first step in the development of such an inverse dynamic multi-body simulation (MBS-) model we here present the setup of a canine hind limb model applicable for the calculation of ground reaction forces. Methods: The anatomical geometries of the MBS-model have been established using computer tomography- (CT-) and magnetic resonance imaging- (MRI-) data. The CT-data were collected from the pelvis, femora, tibiae and pads of a mixed-breed adult dog. Geometric information about 22 muscles of the pelvic extremity of 4 mixed-breed adult dogs was determined using MRI. Kinematic and kinetic data obtained by motion analysis of a clinically healthy dog during a gait cycle (1 m/s) on an instrumented treadmill were used to drive the model in the multi-body simulation. Results and Discussion: As a result the vertical ground reaction forces (z-direction) calculated by the MBS-system show a maximum deviation of 1.75%BW for the left and 4.65%BW for the right hind limb from the treadmill measurements. The calculated peak ground reaction forces in z- and y-direction were found to be comparable to the treadmill measurements, whereas the curve characteristics of the forces in y-direction were not in complete alignment. Conclusion: In conclusion, it could be demonstrated that the developed MBS-model is suitable for simulating ground reaction forces of dogs during walking. In forthcoming investigations the model will be developed further for the calculation of forces and moments acting on the hip joint during different movements, which can be of help in context with the in silico development and testing of hip prostheses.

Acceleration of physics simulation engine through OpenCL

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Sistema de multiprocessamento para simulação de N-corpos em FPGA

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

SketchyDynamics apoio à produção de sistemas baseados em interfaces caligráficas para a simulação da dinâmica de corpos rígidos

Mestrado em Engenharia Informática - Área de Especialização em Sistemas Gráficos e Multimédia

Os efeitos do ambiente térmico: avaliação subjetiva e numérica

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão Industrial

Puunkäsittelykoneen simulointi ja mekaaniset häviöt

Diplomityö on osa Savonia-amk:n koneosaston TOVI-projektia, jossa metsä-konevalmistaja Ponsse Oyj on mukana. Työssä tutkittiin Ponsse Oyj:n metsäkoneen harvesteripäätä. Tavoitteena oli harvesteripään puun syöttöliikkeessä syntyvien mekaanisten häviöiden selvittäminen. Mekaanisilla häviöillä tarkoitamme karsintaterien kitkavoimia ja syöttörullien vierintävastusta.Edellisten lisäksi tavoitteena oli tutkia puun syöttöliikkeen simuloitavuutta monikappaledynamiikkaan perustuvalla simu-lointiohjelmistolla. Työ toteutettiin mittaamalla harvesteripään hydraulisten toimilaitteiden paineita, puun syötön aikana. Mittasimme myös puun ja harvesteripään välistä liikematkaa, nopeutta, kiihtyvyyttä, sekä puun paksuutta. Mittausten lisäksi harvesteripäästä rakennettiin simulointimalli. Mitattujen paineiden avulla laskettiin vastaavien toimilaitteiden synnyttämät voimat ja momentit. Simulointimallilla toistettiin mittaustapahtumat, käyttäen mittausten avulla laskettuja voimia ja momentteja. Mallin kitkakertoimien ja vierintävastusten avulla simuloidut ja mitatut liikematkat haettiin yhteneviksi. Toisin sanoen, simulointimalli verifioitiin todellisuutta vastaavaksi, jolloin simulointimallista voitiin lukea syntyneet häviöt.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Dynamiikan simulointi poralaitteiden tuotekehityksessä

Diplomityö käsittelee kallioporalaitteen eliniän kuormitusten arviointiin tarkoitetun simulointimallin rakentamista. Työssä luotiin modulaarinen malli, jolla voidaan simuloida dynaamisesti esteen yliajo. Esteen yliajo on perinteinen tehdastesti uusien laitteiden prototyypeille. Sillä pyritään saamaan selville laitteen maksimikuormitustapaukset. Pintaporalaitteen simulointimalli tehtiin ADAMS-ohjelmistolla laitteen suunnittelussa tehtyjä CAD-malleja hyödyntäen. ADAMS-ohjelmistolla mallinnettiin laitteen yksinkertaistettu mekaniikka siten, että laite oli jaettu viiteen eri moduuliin. Runko ja telasto olivat omana osionaan. Puomi ja syöttölaite oli oma kokoonpanonsa ja ohjaamo sekä katteet olivat kaksi erillistä modulia. Viides moduuli oli hydrauliikka, joka simuloitiin rinnakkaissimulointina EASY5-ohjelmistolla. Simuloituja esteen yliajon tuloksia verrattiin prototyyppilaitteen tehdastestien mitattuihin kuormituksiin. Vertailu tehtiin mallinnettujen neljän sylinterin paineita tarkastelemalla. Tuloksia tarkastellessa havaittiin, että simulaatiomalli antaa varsinkin staattisissa tarkasteluissa oikean suuntaisia tuloksia. Dynaamisissa tilanteissa koneen maksimikuormituksilla mallinnustarkkuus ei tämän työn laajuudessa ole riittävä varsinaiseen eliniän analysointiin. Sen sijaan mallinnustekniikka todettiin periaatteessa toimivaksi ja jatkokehityskelpoiseksi.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

Dynamische Standsicherheit von Portalstaplern

Der Artikel beschreibt die Untersuchung der dynamischen Standsicherheit von Portalstaplern. Dazu wurde ein aktueller repräsentativer Portalstapler analysiert und in ein Mehrkörper-Simulationsmodell abgebildet. Die Validierung des Modells erfolgte auf Basis von Messfahrten am realen System. Aus den durchgeführten Simulationsstudien wurden technische Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet, welche die dynamische Standsicherheit von Portalstaplern erhöhen.

Simulationsgestützte Untersuchung der Spurtreue von Routenzügen

Für den innerbetrieblichen Transport und besonders für die Materialversorgung in der Produktion werden zunehmend Routenzüge eingesetzt, die aus einem Schleppfahrzeug und bis zu fünf Anhängern bestehen. Um gute Manövrierbarkeit und einen geringen Platzbedarf zu gewährleisten, sollten Routenzuganhänger möglichst spurtreu sein. In diesem Beitrag wird die Spurtreue exemplarisch für zwei am Markt verfügbare Anhänger für Routenzüge mit zwei ungelenkten und vier gelenkten Rädern untersucht. Hierfür wird zunächst ein Gütekriterium definiert, das die maximale Abweichung von der Spurtreue quantitativ erfasst. Außerdem werden Testszenarien vorgeschlagen, um die verschiedenen Fahrwerks- und Lenkkonzepte vergleichen zu können. Mit Hilfe eines entwickelten analytischen Modells werden die Abweichungen in der Spurtreue bei stationärer Kreisfahrt für die zwei gewählten Konzepte berechnet und dargestellt. Zusätzlich wird eine Mehrkörper-Simulation, die eine tiefere physikalische Modellierung und die Untersuchung komplexerer Fahrmanöver erlaubt, durchgeführt und mit den analytischen Ergebnissen verglichen. Es kann gezeigt werden, dass neben der Lenkkinematik weitere Parameter wie das Schräglaufverhalten der Reifen Einfluss auf die Spurtreue haben.

Stellar mass loss from the Fornax dwarf spheroidal galaxy

Dwarf galaxies often experience gravitational interactions from more massive companions. These interactions can deform galaxies, turn star formation on or off, or give rise to mass loss phenomena. In this thesis work we propose to study, through N-body simulations, the stellar mass loss suffered by the dwarf spheroid galaxy (dSph) Fornax orbiting in the Milky Way gravitational potential. Which is a key phenomenon to explain the mass budget problem: the Fornax globular clusters together have a stellar mass comparable to that of Fornax itself. If we look at the stellar populations which they are made of and we apply the scenarios of stellar population formation we find that, originally, they must have been >= 5 times more massive. For this reason, they must have lost or ejected stars through dynamic interactions. However, as presented in Larsen et al (2012), field stars alone are not sufficient to explain this scenario. We may assume that some of those stars fell into Fornax, and later were stripped by Milky Way. In order to study this solution we built several illustrative single component simulations, with a tabulated density model using the P07ecc orbit studied from Battaglia et al (2015). To divide the single component into stellar and dark matter components we have defined a posterior the probability function P(E), where E is the initial energy distribution of the particles. By associating each particle with a fraction of stellar mass and dark matter. In this way we built stellar density profiles without repeating simulations. We applied the method to Fornax using the profile density tables obtained in Pascale et al (2018) as observational constraints and to build the model. The results confirm the results previously obtained with less flexible models by Battaglia et al (2015). They show a stellar mass loss < 4% within 1.6 kpc and negligible within 3 kpc, too small to solve the mass budget problem.

Pectus Excavatum postsurgical outcome based on preoperative soft body dynamics simulation

Pectus excavatum is the most common congenital deformity of the anterior chest wall, in which an abnormal formation of the rib cage gives the chest a caved-in or sunken appearance. Today, the surgical correction of this deformity is carried out in children and adults through Nuss technic, which consists in the placement of a prosthetic bar under the sternum and over the ribs. Although this technique has been shown to be safe and reliable, not all patients have achieved adequate cosmetic outcome. This often leads to psychological problems and social stress, before and after the surgical correction. This paper targets this particular problem by presenting a method to predict the patient surgical outcome based on pre-surgical imagiologic information and chest skin dynamic modulation. The proposed approach uses the patient pre-surgical thoracic CT scan and anatomical-surgical references to perform a 3D segmentation of the left ribs, right ribs, sternum and skin. The technique encompasses three steps: a) approximation of the cartilages, between the ribs and the sternum, trough b-spline interpolation; b) a volumetric mass spring model that connects two layers - inner skin layer based on the outer pleura contour and the outer surface skin; and c) displacement of the sternum according to the prosthetic bar position. A dynamic model of the skin around the chest wall region was generated, capable of simulating the effect of the movement of the prosthetic bar along the sternum. The results were compared and validated with patient postsurgical skin surface acquired with Polhemus FastSCAN system

Simulation of masonry out-of-plane failure modes by multi-body dynamics

The seismic assessment of the local failure modes in existing masonry buildings is currently based on the identification of the so-called local mechanisms, often associated with the out-of-plane wall behavior, whose stability is evaluated by static force-based approaches and, more recently, by some displacement-based proposals. Local mechanisms consist of kinematic chains of masonry portions, often regarded as rigid bodies, with geometric nonlinearity and concentrated nonlinearity in predefined contact regions (unilateral no-tension behavior, possible sliding with friction). In this work, the dynamic behavior of local mechanisms is simulated through multi-body dynamics, to obtain the nonlinear response with efficient time history analyses that directly take into account the characteristics of the ground motion. The amplification/filtering effects of the structure are considered within the input motion. The proposed approach is validated with experimental results of two full-scale shaking-table tests on stone masonry buildings: a sacco-stone masonry façade tested at Laboratório Nacional de Engenharia Civil and a two-storey double-leaf masonry building tested at European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (EUCENTRE).

Monte Carlo simulation of a whole-body counter using IGOR phantoms.

Whole-body counting is a technique of choice for assessing the intake of gamma-emitting radionuclides. An appropriate calibration is necessary, which is done either by experimental measurement or by Monte Carlo (MC) calculation. The aim of this work was to validate a MC model for calibrating whole-body counters (WBCs) by comparing the results of computations with measurements performed on an anthropomorphic phantom and to investigate the effect of a change in phantom's position on the WBC counting sensitivity. GEANT MC code was used for the calculations, and an IGOR phantom loaded with several types of radionuclides was used for the experimental measurements. The results show a reasonable agreement between measurements and MC computation. A 1-cm error in phantom positioning changes the activity estimation by >2%. Considering that a 5-cm deviation of the positioning of the phantom may occur in a realistic counting scenario, this implies that the uncertainty of the activity measured by a WBC is ∼10-20%.