Coupling finite element analysis and multibody system dynamics for biological research

Jordi Marcé-Nogué, Adam Kłodowski, Montserrat Sánchez, and Lluís Gil

Plain Language Abstract

Flexible Multibody System Dynamics (FMSD) is a simulation technique that can be used to study the behavior of the mechanical systems that consists of one or more deformable bodies. FMSD is based in the total coupling of Finite Element Analysis (FEA) and Multibody System Dynamics (MSD) to explore the feeding mechanism in a skull of Edingerella madagascariensis. The applicability of it in the feeding mechanism of vertebrate structures is tested because, since today, biological research in this field is currently dominated by both pure finite element studies and studies based on rigid body multibody method without the total coupling of both methodologies.

Resumen en Español

Uniendo el análisis de elementos finitos y la dinámica de sistemas multicuerpo para la investigación en biología

La Dinámica de Sistemas Multicuerpo Flexible (DSMF) es una técnica de simulación que puede ser usada para estudiar el comportamiento de sistemas mecánicos que consisten en uno o más cuerpos deformables. Un cuerpo deformable puede ser modelado usando un número de enfoques mientras que la formulación del marco de referencia flotante es un enfoque ampliamente utilizado. Con ese enfoque, la flexibilidad dentro de la Dinámica de Sistemas Multicuerpo (DSM) se describe implementando el Análisis de Elementos Finitos (AEF) con un enfoque de reducción modal. La aplicabilidad de la DSMF en el mecánico alimentario de estructuras de vertebrados es evaluado con el fin de utilizar el potencial del método en investigaciones biológicas. La Dinámica de Sistemas Multicuerpo Flexible es explorada estudiando el mecanismo de alimentación de un cráneo de Edingerella madagascariensis. En primera instancia se realiza un análisis estructural estático usando AEF. Luego, se obtienen soluciones dinámicas basadas en DSMF variando el número de modos de deformación usados en el análisis de reducción modal. La conclusión es que el uso de este enfoque es viable y eficiente para el estudio de mecanismos de alimentación en estructuras de vertebrados cuando se pretende evaluar una respuesta dinámica.

Palabras clave: AEF; FEA; DSM; flexibilidad; mecánica computacional; paleontología; vertebrados

Traducción: Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

Combiner l'analyse par les éléments finis avec la dynamique des systèmes multicorps pour la recherche en biologie

La Dynamique des Systèmes Multicorps Flexibles (DSMF) est une technique de simulation qui peut être utilisée pour étudier le comportement des systèmes mécaniques composés d'au moins un corps déformable. Un corps déformable peut être modélisé par un certain nombre d'approches, celle du cadre flottant de la formulation de référence étant largement utilisée. Dans cette approche, la flexibilité dans la Dynamique des Systèmes Multicorps (DSM) est décrite en employant l'Analyse par les Éléments Finis (AEF) avec une réduction modale. L'applicabilité de la DSMF aux mécanismes de prise de nourriture des vertébrés est testée dans l'optique d'exploiter le potentiel de cette méthode pour la recherche en biologie. La Dynamique des Systèmes Multicorps Flexibles est explorée en étudiant le mécanisme de prise de nourriture à partir d'un crâne d'Edingerella madagascariensis. Dans un premier temps, une analyse structurelle statique est effectuée en utilisant l'AEF, et dans un second temps, les solutions dynamiques basées sur la DSMF sont obtenues en faisant varier le nombre de modes de déformation utilisés dans l'analyse de réduction modale. En conclusion, l'utilisation de cette approche est réalisable et efficace pour l'étude des mécanismes de prise de nourriture des vertébrés quand une réponse dynamique doit être évaluée.

Mots-clés : AEF ; DSM ; flexibilité ; mécanique statistique ; paléontologie ; vertébrés

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Verbindung von Finite-Elemente-Analyse und Mehrkörper-Systemdynamik in der biologischen Forschung

Flexible Mehrkörper-Systemdynamik (FMSD) ist eine Simulationstechnik die zum Untersuchen des Verhaltens von mechanischen Systemen genutzt werden kann, die aus einem oder mehreren verformbaren Körpern bestehen. Ein verformbarer Körper kann mit einer Reihe von Ansätzen modelliert werden, während der Floating Frame der Referenzformulierung ein häufig verwendeter Ansatz ist. Bei diesem Ansatz wird Flexibilität innerhalb der Mehrkörper-Systemdynamik (MSD) beschrieben indem die Finite-Elemente-Analyse (FEA) mit einem modalen Reduzierungsansatz verwendet wird. Es wird die Anwendbarkeit einer FMSD bei Ernährungsmechanismen von Wirbeltieren getestet, um das Potential der Methode in der biologischen Forschung anzuwenden. Flexible Mehrkörper-Systemdynamik wird am Beispiel des Ernährungsmechanismus von Edingerella madagascariensis untersucht. Zuerst wird eine statische Strukturanalyse mit FEA durchgeführt und im zweiten Schritt werden dynamische Lösungen basierend auf FMSD erzielt, indem die Anzahl der Verformungsarten in der modalen Reduktionsanalyse variiert wird. Die Schlussfolgerung ergibt, dass die Verwendung dieses Ansatzes praktikabel und effizient zum Untersuchen von Ernährungsmechanismen bei Wirbeltieren ist, wenn ein Dynamikverhalten evaluiert werden soll.

 

Schlüsselwörter: FEA; MSD; Flexibliät; rechnergestützte Mechanik; Paläontologie; Vertebraten

Translator: Eva Gebauer

Arabic

502 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa