Universitat Internacional de Catalunya

Tècniques de Modelització i Simulació

Tècniques de Modelització i Simulació
6
13795
3
Primer semestre
op
OPTATIVITAT
OPTATIVITAT
Llengua d'impartició principal: anglès

Altres llengües d'impartició: català, castellà

Professorat


A causa de la situació de l'Covid19, el millor és enviar un correu electrònic per concertar una cita

Presentació

Prof. Miguel Cerrolaza   mcerrolaza@uic.es  

Tècniques de Modelització i Simulació és una assignatura de caràcter optatiu en el pla d'estudis oficial de l'Grau de Bioenginyeria.

En aquesta assignatura es presenten els conceptes bàsics de modelatge i simulació d'implants, usant programari de disseny CAD i el mètode dels elements finits. Diversos casos d'aplicació són estudiats i discutits.

La docència de l'assignatura es realitza en anglès.

Requisits previs

L'assignatura s'imparteix en anglès, de manera que cal tenir un coneixement suficient d'aquest idioma com per poder seguir les explicacions i assimilar part de l'material didàctic proporcionat.

L'assignatura utilitza tècniques matemàtiques que s'han de conèixer amb antelació: equacions diferencials, sistemes d'equacions, ús de programari de modelatge i d'anàlisi

Objectius

1. Introduir els conceptes bàsics de modelatge i simulació d'implants.

2. Presentar les tècniques de modelització i ús de programari de CAD

3. Conèixer els mètodes bàsics d'anàlisi per elements finits

4. Presentar les tècniques de simulació i ús de programari d'anàlisi numèrica

5. Conèixer altres mètodes de simulació en bioenginyeria

6. Estudiar diversos casos pràctics d'aplicació

Competències

  • CB1 - Que els estudiants hagin demostrat posseir i comprendre coneixements en una àrea d'estudi que parteix de la base de l'educació secundària general, i se sol trobar a un nivell que, si bé es recolza en llibres de text avançats, inclou també alguns aspectes que impliquen coneixements procedents de l'avantguarda del seu camp d'estudi
  • CB2 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els seus coneixements al seu treball o vocació d'una forma professional i posseeixin les competències que solen demostrar-se per mitjà de l'elaboració i defensa d'arguments i la resolució de problemes dins la seva àrea d'estudi
  • CB3 - Que els estudiants tinguin la capacitat de reunir i interpretar dades rellevants (normalment dins la seva àrea d'estudi) per emetre judicis que incloguin una reflexió sobre temes rellevants d'índole social, científica o ètica
  • CE1 - Resoldre els problemes matemàtics que puguin plantejar-se en l'àmbit de la Bioenginyeria. Aptitud per aplicar els coneixements sobre geometria, càlcul integral, mètodes numèrics i optimització
  • CE10 - Dissenyar estructures fixes i removibles en les aplicacions de pròtesis i ortopròtesis
  • CE11 - Avaluar els sistemes i processos de fabricació, metrologia i control de qualitat
  • CE16 - Aplicar la terminologia pròpia de la Bioenginyeria tant oral com escrita en una tercera llengua.
  • CE2 - Saber aplicar els conceptes bàsics sobre les lleis generals de la mecànica i la biomecànica per a la resolució de problemes propis de l'àmbit de la Bioenginyeria
  • CE3 - Aplicar a la Bioenginyeria els coneixements fonamentals sobre l'ús i programació dels ordinadors, sistemes operatius, bases de dades i programes informàtics.
  • CE9 - Aplicar els fonaments bàsics de l'elasticitat i resistència de materials al comportament de sòlids reals.
  • CG1 - Desenvolupar projectes en els àmbits de la Bioenginyeria que tinguin per objecte la concepció, el disseny i la fabricació de pròtesis i ortopròtesis específiques a una patologia o necessitat determinada.
  • CG3 - Tenir capacitat per a l'aprenentatge de nous mètodes i teories i ser versàtil per a l'adaptació a noves situacions.
  • CT3 - Saber comunicar-se de forma oral i escrita amb altres persones sobre els resultats de l'aprenentatge, de l'elaboració del pensament i de la presa de decisions; participar en debats sobre temes de la pròpia especialitat
  • CT4 - Ser capaç de treballar com a membre d'un equip interdisciplinari, ja sigui com un membre més o realitzant tasques de direcció, amb la finalitat de contribuir a desenvolupar projectes amb pragmatisme i sentit de la responsabilitat, assumint compromisos tenint en compte els recursos disponibles

Resultats d'aprenentatge

L'estudiant, després de cursar aquesta assignatura, ha de:

- Tenir els coneixements bàsics de modelatge i simulació d'implants.

- Haver adquirit una capacitat analítica per arribar a conclusions vàlides després d'un procés d'anàlisi.

- Incorporar rigor científic en el modelatge per CAD i en la simulació per elements finits.

- Ser capaç de modelar un implant simple i analitzar-usant elements finits

Continguts

1 Introduction to modeling

1.1     Motivation

1.2     Overview of applications

 

2 Exoprostheses and implants

2.1 Exoskeletons and hand prostheses

2.2 Implants

2.3 Classification

2.4   Evolution

2.5  Ethical and legal issues

 

3  Modeling

 3.1  Modeling techniques

3.2    Modeling a prosthetic foot

 

4  Modeling software

 4.1 Commercial software vs free software

 4.2 Salome software

 4.3 Preprocessing

 

5  Numerical methods for simulation

    5.1  Why do we need numerical simulation?

    5.2  Linear systems

    5.3  Solution of differential equations

 

6  Finite elements

    6.1  Introduction to finite elements

    6.2  The finite element method

    6.3  Finite elements applications

 

7  Finite elements software

 7.1 Commercial software vs free software

 7.2 Introduction to PrePoMax code: installing the code

 7.3 Finite elements processing

 7.4 Numerical examples

 

8  Other simulation methods

 8.1 Finite differences

 8.2 Finite volumes

 8.3 Boundary elements

 8.4 Lattice-Boltzmann methods

 8.5 Mesh generation

 8.6 Examples

 

9  Study cases

 9.1 Artificial cardiac valves

 9.2 Knee prosthesis

 9.3 Hip prosthesis

 9.4 Dental implants

 9.5 Spine prosthesis

 9.6 Hand orthesis

Metodologia i activitats formatives

Modalitat totalment presencial a l'aula



Les activitats es poden agrupar en quatre grans tipus: sessions expositives, sessions participatives, sessions pràctiques i estudi individual o en grup.

Sistemes i criteris d'avaluació

Modalitat totalment presencial a l'aula



L'avaluació es mostrarà a continuació:

A) Avaluació continuada (Porfolio d’activitats, 60%)

  • Examen breu (prova) (20%)
  • Assistència a classe i actitud a classe (10%)
  • Anàlisi d'un article sobre modelatge/simulació (20%)
  • Modelatge de varios implants (10%)
Anàlisi d'un article sobre modelatge/simulació (20%) Modelatge d'uns quants implants (10%)

B) Projecte Final (40%)

  • Modelat i anàlisi d'un implant proposat pel(la) alumne
  • Lliurament de el projecte i presentació
 

A tenir en compte:

1. La nota de l'assignatura es compon de la nota de l'portfoli (60%) més el Projecte de l'assignatura (40%).

2. Per poder calcular la nota de l'assignatura, es requereix que l'estudiant obtingui al menys 4,5 en el Projecte Final. En cas contrari haurà de lliurar el projecte final en 2a convocatòria

3. El portfolio es qualifica en 1ª convocatòria, de manera que totes les activitats de la cartera han de ser lliurades a 1ª convocatòria.

4. Si algun estudiant no va poder presentar el Projecte Final en 1a convocatòria, pot fer-ho en 2ª convocatòria.

 

Consideracions importants:

  1. Plagi, copiar o qualsevol altra acció que es pugui considerar trampa suposarà un zero en aquest apartat d'avaluació. Realitzar-en els exàmens suposarà el suspens immediat de l'assignatura.
  2. En segona convocatòria no es podrà obtenir la qualificació de "Matrícula d'Honor", de manera que la qualificació màxima serà de "Excel·lent".
  3. No s'acceptaran canvis en el calendari, dates d'exàmens o en el sistema d'avaluació.
  4. Els estudiants d'intercanvi (Erasmus i d'altres) o repetidors estaran sotmesos a les mateixes condicions que la resta de l'alumnat.

Bibliografia i recursos

  • Cerrolaza M, Doblaré M, Martínez G, Calvo B (2004). Computational Bioengineering. Current Trends and Applications. London, UK. Imperial College Press.
  • Zienkiewicz OC, Taylor RL, Fox DD (2014). The finite element method for Solid and Structural Mechanics. Oxford. Butterworth-Heinemann.
  • Smith I, Griffiths DV, Margetts L (2013). Programming the Finite Element Method. Wiley
  • Hughes TJR (2000). The finite element method: linear static and dynamic analysis finite element analysis. Nueva Jersey. Dover
  • Kane J (1994). Boundary element Analysis in Engineering Continuum Mechanics. Nueva Jersey. Prentice-Hall.
  • Cerrolaza M, Duarte V, Garzón-Alvarado D (2017). Analysis of bone remodeling under piezoelectric effects by the BEM, J. Bionic Engng, 14(4):659-671
  • Rao SS (1996). Engineering Optimization: Theory and Practice (3rd ed.) NY. Wiley-Interscience.
  • Viosca E, Prat J (1999). Guía de uso y prescripción de productos ortoprotésicos a la medida. Valencia. Instituto de Biomecánica de Valencia.
  • Chen Q, Thouas G (2014). Biomaterials: A Basic Introduction. Boca Ratón, Florida. CRC Press.
  • Annicchiarico W, Périaux J, Cerrolaza M, Winter G, (Eds) (2007). Evolutionary algorithms and intelligent tools in engineering optimization, WIT Press, UK.
  • Cerrolaza M, Shefelbine S, Garzón A (Eds) (2017). Numerical methods and advanced simulation in biomechanics and biological processes, Elsevier, 450 pp.
  • Davila E, Ortiz M, Perez RA, Herrero M, Cerrolaza M, Gil FJ (2019). Crestal neck design optimization of dental implants: finite element analysis and in vivo studies, Mater. Sci.: Mater. in Medic., 30(8):90
  • Uzcátegui G, Dávila E, Cerrolaza M (2015). A simple and efficient methodology to improve design proposals of dental implants, Biomed Engng.: App., Bas. & Comm. 27(3)