Longitudinal growth of long bone occurs at growth plates by a process called endochondral ossification. Endochondral ossification is affected by both biological and mechanical factors. This thesis focuses on the mechanical modulation of femoral bone growth occurring at the proximal growth plate, using mechanobiological theories reported in the literature. Finite element analysis was used to simulate bone growth. The first study analyzed the effect of subject-specific growth plate geometry over simplified growth plate geometry in numerical prediction of bone growth tendency. Subject-specific femur finite element model was constructed from magnetic resonance images of one able- bodied child. Gait kinematics and kinetics were acquired from motion analysis and analyzed further in musculoskeletal modelling to determine muscle and joint contact forces. These were used to determine loading on the femur in finite element analysis. The growth rate was computed based on a mechanobiological theory proposed by Carter and Wong, and a growth model in the principal stress direction was introduced. Our findings support the use of subject- specific geometry and of the principal stress growth direction in prediction of bone growth. The second study aimed to illustrate how different muscle groups’ activation during gait affects proximal femoral growth tendency in able-bodied children. Subject-specific femur models were used. Gait kinematics and kinetics were acquired for 3 able-bodied children, and muscle and joint contact forces were determined, similar to the first study. The contribution of different muscle groups to hip contact force was also determined. Finite element analysis was performed to compute the specific growth rate and growth direction due to individual muscle groups. The simulated growth model indicated that gait loading tends to reduce neck shaft angle and femoral anteversion during growth. The muscle groups that contributes most and least to growth rate were hip abductors and hip adductors, respectively. All muscle groups’ activation tended to reduce the neck shaft and femoral anteversion angles, except hip extensors and adductors which showed a tendency to increase the femoral anteversion. The third study’s aim was to understand the influence of different physical activities on proximal femoral growth tendency. Hip contact force orientation was varied to represent reported forces from a number of physical activities. The findings of this study showed that all studied physical activities tend to reduce the neck shaft angle and anteversion, which corresponds to the femur’s natural course during normal growth. The aim of the fourth study was to study the hypothesis that loading in the absence of physical activity, i.e. static loading, can have an adverse effect on bone growth. A subject-specific model was used and growth plate was modeled as a poroelastic material in finite element analysis. Prendergast’s indicators for bone growth was used to analyse the bone growth behavior. The results showed that tendency of bone growth rate decreases over a long duration of static loading. The study also showed that static sitting is less detrimental than static standing for predicted cartilage-to-bone differentiation likelihood, due to the lower magnitude of hip contact force. The prediction of growth using finite element analysis on experimental gait data and person- specific femur geometry, based on mechanobiological theories of bone growth, offers a biomechanical foundation for better understanding and prediction of bone growth-related deformity problems in growing children. It can ultimately help in treatment planning or physical activity guidelines in children at risk at developing a femur or hip deformity. / <p>QC 20170616</p>

This thesis presents the results of a series of undrained cyclic triaxial tests carried out on four lime-cement stabilized specimens and clay specimen. The shear resistance degradation rate of lime-cement column subjected to cyclic loading simulated from heavy truck was investigated based on stress-controlled test. The influence of lime and cement on the degradation rate was investigated by comparing the behavior of stabilized kaolin and unstabilized kaolin with similar initial condition. The results indicate an increase in degree of degradation as the number of loading cycles and cyclic strain increase. It is observed that the degradation index has approximately a parabolic relationship with the number of cycles. Generally adding lime and cement to the clay will increase the degradation index which means lower degree of degradation. The degradation parameter, t has a hyperbolic relationship with shear strain, but it loses its hyperbolic shape as the soil getting stronger. On the other hand, for unstabilized clay an approximate linear relationship between degradation index and number of cycles was observed and the degradation parameter has a hyperbolic shape with the increase number of cycles. It was also observed that the stronger the material was, the lesser pore pressure developed in the lime-cement stabilized clay.

On considère l'évolution adiabatique des états vitreux sous perturbations extérieures. Bien que le formalisme que nous utilisons soit très général, nous nous concentrons ici sur les sphères dures en dimension infinie où une analyse exacte est possible. Nous considérons perturbations de la frontière, notamment compression ou cisaillement simple et nous calculons la réponse des états vitreux à ces perturbations : pression et contrainte de cisaillement. Nous constatons un dépassement des deux quantités avant que l'état vitreux ne devienne instable à un point spinodal, où il fond dans le liquide (ou cède). Nous estimons également la limite d'élasticité du verre. Enfin, nous étudions la stabilité des bassins vitreux vers la rupture en sous-bassins, correspondant à une transition de Gardner. Nous constatons que près de la transition dynamique, les verres subissent une transition de Gardner après une perturbation infinitésimale. Nous étudions ensuite le régime de haute pression et haut cisaillement au-delà de la transition de Gardner. / We consider the adiabatic evolution of glassy states under external perturbations. Although the formalism we use is very general, we focus here on infinite-dimensional hard spheres where an exact analysis is possible. We consider perturbations of the boundary, i. e. compression or (volume preserving) shear-strain, and we compute the response of glassy states to such perturbations: pressure and shear-stress. We find that both quantities over shoot before the glass state becomes unstable at a spinodal point where it melts into a liquid (or yields). We also estimate the yield stress of the glass. Finally, we study the stability of the glass basins towards breaking into sub-basins, corresponding to a Gardner transition. We find that close to the dynamical transition, glasses undergo a Gardner transition after an infinitesimal perturbation. We then study the high-pressure and high-strain regime beyond the Gardner transition.

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind. / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie

多様化する樹脂材料の射出成形において，目的に応じた溶融状態を得るための高度な可塑化技術が求められている．本研究では，流動シミュレーションを用いて可塑化現象を定量化し，所望の溶融状態に対する影響因子を明らかにすることでスクリュ形状を最適化し，実験検証により検討の妥当性を確認した．また，スクリュ形状を3Dプリンタによりプロトタイピングし，疑似流体を用いた可視化モデル実験を提案し，新規スクリュの開発手法としての有効性を示した． / In injection molding of diversified resins, it has been required advancement of plasticizing technology in order to realize a melting condition according to purpose. This study investigated quantifying phenomena by flow simulation, and optimizing the screw design by clarifying the influence factors for the desired melting condition. The effects of optimized screw were confirmed the validity of results by experimental validations. Also, models experiments of visualizing test that utilized simulated fluid and prototyped screw by 3D printer were proposed, there were indicated efficacy for the development approach of new screw design. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University