Method Article

A Gekoppelt Experiment-Finite-Elemente-Modeling-Methode zur Bewertung Hohe Strain Rate Mechanisches Verhalten von weicher Biomaterialien

DOI:

10.3791/51545

⸱

May 18th, 2015

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1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University

In This Article

Summary

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Die aktuelle Studie schreibt eine gekoppelte Experiment-Finite-Elemente-Simulationsmethodik, um den einachsigen dynamische mechanische Verhalten weicher Biomaterialien (Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.) zu erhalten. Die mehrachsigen Versuchsergebnisse, die entstanden, weil der Proben prall von Split-Hopkinson Pressure Bar Tests erhalten wurden, wurden einem einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsverhalten wiedergegeben, wenn durch iterative Optimierung der Finite-Elemente-Analyse des Biomaterials simuliert.

Abstract

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Diese Studie bietet einen kombinierten experimentellen und Finite-Elemente (FE) Simulationsansatz für die Prüfung des mechanischen Verhaltens von weichen Biomaterialien (zB Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.), wenn sie hohen Dehnungsraten ausgesetzt. Diese Studie verwendet eine Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) zu Dehnraten von 100-1500 sec -1 erzeugen. Die SHPB beschäftigt göttliche bar, bestehend aus einem viskoelastischen Material (Polycarbonat). Eine Probe des erhaltenen Biomaterials wurde kurz post mortem und SHPB Test vorbereitet. Die Probe wurde zwischen der Auf- und Durch Bars eingefügt ist, und die pneumatischen Komponenten der SHPB wurden aktiviert, um die Anschlagschiene in Richtung des einfallenden Bar zu fahren. Die sich ergebende Wirkung erzeugt eine Druckspannungswelle (dh einfallende Welle), die durch das einfallende bar gereist. Wenn der Druckspannungswelle erreichte das Ende des einfallenden Bar, ein Teil weiter nach vorne durch die Probe und übermittelt bar (i.E. tragenen Welle) während ein anderer Teil durch den Vorfall bar als Zug- Welle umgekehrt (dh reflektierte Welle). Diese Wellen wurden mit Dehnungsmessstreifen auf dem Auf- und Durch Bars montiert gemessen. Die wahre Spannungs-Dehnungsverhalten der Probe wurde aus den Gleichungen basierend auf der Wellenausbreitung und dynamischen Kräftegleichgewicht bestimmt. Die experimentelle Spannungs-Dehnungs-Antwort war dreidimensionalen in der Natur, weil die Probe ausgebeult. Als solche wurde die hydrostatischen Spannungs (erste invariant) verwendet, um die Spannungs-Dehnungs-Antwort zu erzeugen. Um die einachsigen (eindimensionale) mechanische Reaktion des Gewebes extrahieren wurde eine iterative gekoppelt Optimierung unter Verwendung experimentellen Ergebnisse und Finite-Elemente-Analyse (FEA), der eine innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell für das Gewebe verwendet wurde, enthielt. Die ISV Materialmodell in der FE-Simulationen des Versuchsaufbaus verwendet wurde iterativ kalibriert (dh optimiert) auf experimentelle Daten der wie that des Experiments und FEA DMS-Werte und erste Invariante von Spannungen waren in guter Übereinstimmung.

Introduction

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Motivation

Der Kardinal Ziel des gekoppelten Split - Hopkinson Pressure Bar (SHPB) Experiment / Finite-Element-Modellierung von Weich Biomaterialien (wie Gehirn, Leber, Sehnen, Fett, etc.) war ihre einachsiger mechanischer Verhaltensweisen für die weitere Umsetzung in menschlichen Körper FE extrahieren Simulationen unter schädigenden mechanischen Belastungen. Der menschliche Körper Finite Element (FE) Modell besteht aus einer detaillierten Körpergewebe und einer Geschichte abhängige Multiskalen-viskoelastischen viskoplastische innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell für verschiedene menschliche Organe. Diese menschlich....

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Protocol

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HINWEIS: Ethics Statement: Die aktuelle Arbeit ist einzigartig in der Forschungspolitik der Institution, und sich strikt an die entsprechende biologische Sicherheit und Office of Regulatory Compliance (ORC) Richtlinien.

1. Biomaterial Specimen Beschaffung

  1. Persönliche Schutzausrüstung tragen gemäß der Norm Biosicherheit Protokolle des Labors und / oder Institution. Tragen Sie geschlossene Schuhe, die vorne, lange Hosen, einen Laborkittel, OP-Handschuhe, eine Schutzmaske und Schutzbrille beim Umgang mit Schweinegewebe und Prüfung.
  2. Erhalten Schweinegewebe (Kopf, Bauch, oder Hinterbein) gesunder Schweine von einem lokalen....

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Results

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Die Effektivität des gekuppelten Methodik wird in Figur 3 (mit einer Spitzenspannung von 0,32 MPa) im Vergleich zu dem Spannungszustand der eindimensionalen Material beispielhaft dargestellt. Hier ist der SHPB experimentellen Spannungs-Dehnungsverhalten für das Gehirn auf einem niedrigeren Spannungszustand Punkt-Simulator (mit einem Spitzenwert von 0,74 MPa), die ähnlich wie die FE Probenmittellinie (Element) Durchschnitt. Dies ist aufgrund der Art der Verformung, die weich Biomaterialien Ausstellung. D.......

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Discussion

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Der gemeldete Methodik, koppelt die SHPB Experiment und FE-Modellierung des SHPB bietet eine neue und einzigartige Technik, um die einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsantwort eines Biomaterials bei hohen Dehnraten zu bewerten. Um die mechanischen Eigenschaften wesentlich für das native Gewebe zu beschaffen, ist darauf zu achten, um die Biomaterial-Probe zwischen 5,56 bis 7,22 ° C vor SHPB Tests zu halten. Wenn die Probe unter 5,56 ° C gekühlt wird, in dem Gewebe enthaltene Wasser beginnt, sich in Eis zu kristallisieren .......

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Disclosures

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Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt mit allen Material zu dieser Publikation zusammen.

Acknowledgements

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Die Autoren möchten dem Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) und dem Agricultural and Biological Engineering Department der Mississippi State University für die Unterstützung dieser Arbeit danken. Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom U.S. Army TACOM Life Cycle Command unter der Vertragsnummer unterstützt wurden. W56HZV-08-C-0236 im Rahmen eines Unterauftrags mit der Mississippi State University und wurde im Rahmen des Forschungsprogramms Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS) durchgeführt. Darüber hinaus basiert dieses Material auf Arbeiten, die von der National Nuclear Security Administration (Department of Energy) unter der Fördernummer [D....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Hochdruck-Rohrverschraubung aus Edelstahl 316, Rohrgröße 1/2 Außengewinde x 1/4 Innengewinde, Sechskant-ReduzierbuchseMcMaster-Carr2
Typ 316 Edelstahl-Gewinderohrverschraubung, 3/4 Außengewinde x 1/4 Innengewinde, Sechskant-Reduzierbuchse 150  psiMcMaster-Carr2
Wartungsfreundlicher Kugelhahn Typ 316SS mit 316 Edelstahlenden, 1/2" NPT InnengewindeMcMaster-Carr2
Wartungsfreundlicher Kugelhahn Typ 316SS, mit 316 Edelstahlenden, 3/4" NPT InnengewindeMcMaster-Carr2
ASME-Code Edelstahl Pop-Sicherheitsventil, 1/4 NPT Außengewinde, 300  psiMcMaster-Carr2
Präzisions-Hochdruck-Rohrverschraubung 316SS, 1/2 x 1/2 Rohrgröße, 1-7/8" Länge, SechskantnippelMcMaster-Carr8
Typ 316 Edelstahl-Gewinderohrverschraubung, 1/2 Rohrgröße, T-Stück, 150  psiMcMaster-Carr2
Prüfmanometer mit Sicherheitskoffer, Polyesterkoffer, Standard, trocken, 600  psiMcMaster-Carr2
Digitalanzeige, Kunststoffgehäuse, 2-1/2" Zifferblatt, 1/4 unterer Anschluss, 300  psiMcMaster-Carr2
Typ 316 Edelstahl 37 Grad Bördelrohrverschraubung, Adapter für 1/4" Rohr AD x 1/8" NPT AußengewindeMcMaster-Carr12
303 Edelstahl 37 Grad JIC Drehverschraubung für 3/16" IDMcMaster-Carr12
Hochdruck-Chemieschlauch, 3/16" ID, 0,312" OD, 3.000 psiMcMaster-Carr6
Hochreiner Gasregler einstufig, Stickstoff, 0-125 psi, CGA #580McMaster-Carr2
Schlauch für Stickstoffgas-, Argon- und Sauerstoffmessing-Fem-Fittings, PTFE-Schlauch, 3' L, 1/4" ID, 3.600psi McMaster-Carr2
[header]
Hochdruck-Rohrverschraubung aus Edelstahl 316 1/4 x 1/4 Rohrgröße, SechskantnippelMcMaster-Carr4
Hochdruck-Rohrverschraubung 316 SS mit Gewinde 3/4 x 3/4 Rohrgröße, SechskantnippelMcMaster-Carr2
Hochdruck-Rohrverschraubung 316 SS mit Gewinde 1/4 Außengewinde x 1/8 Innengewinde Rohrgröße, SechskantbuchseMcMaster-Carr2
Standard Messing-Kompressionsrohrverschraubung Adapter für 1/4" Rohr AD x 1/4" NPTF AußengewindeMcMaster-Carr4
Kobalt 1/4 Zoll Mini-Regler mit Manometer-Lowes2
1/4" x 25 ft Polyethylen-SchlauchLowes2
1-1/2" Durchmesser Polycarbonat (PC) StangeMcMaster-Carr2
LTV-35 4-Wege-Ventil Mead Fluid DynamicsMotion Industries2
Pneumatischer doppeltwirkender AntriebValtronic2
Kugelhahn aus Edelstahl 1/2"Valtronic2
Buckeye DruckbehälterBuckeye2
SR-4 Allzweck FAE-25-35SX DehnungsmessstreifenMikromessung Vishay Precision Group2
M-M Signalkonditionierungsverstärker 2310AMikromessung Vishay Precision Group1
Laser ROLS-W Optischer SensorMonarch Instruments1

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus. J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).
  2. Aubry, M.

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High Strain RateSplit Hopkinson Pressure BarFinite Element AnalysisSoft BiomaterialsTrue Stress StrainInternal State VariableCoupled Experiment ModelingUniaxial Mechanical ResponseWave Propagation AnalysisStrain Gauge Measurements

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