Course Computational Biomechanics

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Course Computational Biomechanics

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Computational Biomechanics

The course will teach the state of the art in 3D modeling and biomechanics studies (finite elements and computational fluid dynamics) applied to the study of both living and fossil organisms. The course will deal with the design of the model from computerized tomography data or surface scans, through the different mesh steps prior to the biomechanical analysis of organisms following by the use of computational engineering tools. In addition, the different techniques will be shown depending on the type of tissue analyzed, this is soft tissue (e.g. vascular system) or hard tissues (e.g. bones, shells). The results will be discussed to know how to validate the results depending on the type of mesh or computational tools used. This process will allow us to explain the theoretical-practical concepts that surround biomechanics and real examples published by the course teachers will be used.

En el curso se mostrarán las últimas tendencias en modelización 3D y estudios de biomecánica (elementos finitos y dinámica de fluidos computacional) aplicados al estudio de organismos tanto vivos como fósiles. Se abordará el estudio desde el diseño del modelo a partir de los datos de tomografías computarizadas o escaneos de superficies, pasando por los distintos pasos de mallado previos a los análisis biomecánicos de los organismos y terminando en el uso de las herramientas de ingeniería computacional. Además, se mostrarán las distintas técnicas dependiendo del tipo de tejido analizado, esto es tejido blando (ej. sistema vascular) o tejidos duros (ej. huesos, caparazones). Se discutirán los resultados para conocer la forma de validar los resultados dependiendo de tipo de malla o de herramientas computacionales usadas.
Este proceso nos dará pie a explicar los conceptos teórico-prácticos que envuelven a la biomecánica y se usarán ejemplos reales publicados por los profesores del curso.

Dirigido a

This course is aimed at a wide audience, from undergraduate, master and doctorate students in biology, geosciences, paleontology, medicine, anthropology, to undergraduate, master's and doctoral degrees in mechanical and civil engineering. It is also of interest to researchers (postdoc or senior) in zoology, vertebrate paleontology, invertebrates and ichnology, anthropology, engineering and biomechanical medicine. As well as for conservators or scientific disseminators of museums or research institutions, interested in 3D design and its applications in biomechanics from an educational point of view. Finally, any professional interested in digital reconstruction techniques in 3D and computational mechanics applied to complex forms such as graphic designers or architects.

Este curso va dirigido a un público amplio, desde estudiantes de grado, maestría y doctorado de biología, geociencias, paleontología, medicina, antropología hasta estudiantes de grado, maestría y doctorado de ingeniera mecánica y civil. Es de interés también para investigadores (postdoc o senior) en zoología, paleontología de vertebrados, invertebrados e icnología, antropología, ingeniería y medicina biomecánica. Así como para conservadores o divulgadores científicos de museos o instituciones de investigación, interesados en el diseño 3D y sus aplicaciones en biomecánica desde un punto de vista educativo. Finalmente, cualquier profesional interesado en técnicas de reconstrucción digital en 3D y la mecánica computacional aplicadas a formas complejas como diseñadores gráficos o arquitectos.

Este curso será dictado en inglés. Se espera que los estudiantes tengan un buen nivel de comunicación en inglés (lectura, escucha, y expresión oral).

The course will be conducted in English. Students are expected to have proficient English communication level (reading, listening and speaking).

Objetivos

  1. Adquirir los conocimientos para exportar los datos obtenidos mediante tomografía computacional o escaneo y transformalos en un modelo virtual.
  2. Adquirir los conocimientos de ingeniería computacional necesarios para el análisis biomecánico (elementos finitos y dinámica de fluidos computacional) de un organismo vivo o fosilizado. Esto incluye el dominio de los principios básicos de biomecánica y dinámica de fluidos.
  3. Conocer los tipos de mallas necesarias para cada estudio.
  4. Llevar a cabo estudios biomecánicos mediante el uso de elementos finitos en 2D y 3D.
  5. Llevar a cabo estudios biomecánicos mediante el uso de dinámica computacional de fluidos.
  6. Ser capaz de plantearse un problema en biomecánica y resolverlo mediante las herramientas proporcionadas en el curso.

Metodología

The lectures will be supported by means of presentations and videos where the process of the biomechanical analysis will be shown from the 3D data, through meshing and the evaluation of the quality of the mesh, obtaining the results and discussing them. All the visual material, both presentations and videos, will be at the complete disposal of the participants, as well as the necessary files to carry out the exercises. In addition, students are encouraged to carry their own primary data. The theory and practice will alternate so that each of the parts of the process of modeling, meshing and biomechanical analysis is assimilated by the assistants of any level.

The seminars-discussions will be carried out on the basis of scientific articles and real cases provided by the professors.

This course will be taught in English. Students are expected to have a good level of communication in English (reading, listening, and speaking).

Las clases se apoyarán en presentaciones y videos donde se mostrará el proceso de los análisis biomecánicos desde la obtención de los datos 3D, pasando por el mallado y la evaluación de la calidad de la malla, obtención de los resultados y discusión de los mismos. Todo el material visual, tanto presentaciones como videos, estará a completa disposición de los participantes, así como los archivos necesarios para llevar a cabo los ejercicios. Además, al alumnado se le anima a llevar sus propios datos primarios. La teoría y la práctica se irán alternando de manera que cada una de las partes del proceso de modelización, mallado y análisis biomecánico sea asimilada por los asistentes de cualquier nivel.

Los seminarios-discusiones se realizarán sobre la base de artículos científicos y casos reales proporcionados por los profesores.

Contenido

Module 1

  • Techniques for creating 3-D models of fossils.
  • Computer-based practical: Creating a 3-D model of a fossil in Blender.
  • Computational fluid dynamics and its applications in paleontology.
  • Computer-based practical: Running CFD simulations in COMSOL.
  • Computer-based practical: Running CFD simulations in COMSOL.
  • Fluid–structure interaction.
  • Computer-based practical: Running a fluid.
  • Structure interaction simulation in COMSOL.

Module 2

  • Introduction to biomechanics and its utility.
  • Stress, strain and scaling.
  • Bone remodelling and mechanical adaptation.
  • Practical session: scaling and stress.
  • Bending and buckling – theory.
  • Bending and buckling – practical applications in functional morphology.

Module 3

  • The link between form and function.
  • Deducing form and function in deep time.
  • Practical session: levers and bite forces – a dinosaur case study.
  • Finite element analysis – theory and practice (practical session).

Module 4

  • Generation of the mesh.
  • Evaluation of the mesh: quality and realiability. Exercise 2.

Module 5

  • Linear materials. Example of bone.
  • Non-linear materials: Example of soft-tissue.
  • Practical session: Running Bone / soft tissue example.