Name: A Gekoppelt Experiment-Finite-Elemente-Modeling-Methode zur Bewertung Hohe Strain Rate Mechanisches Verhalten von weicher Biomaterialien (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 28 s
Description: Erfahren Sie eine gekoppelte Experiment-Finite-Elemente-Methode zur Bewertung des Hochgeschwindigkeitsverhaltens weicher Biomaterialien. Diese Technik nutzt Split-Hopkinson-Druckstangen-Tests und iterative Optimierung.

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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 [DE-FC26-06NT42755] unterstützt wurden. Abschließend möchten sich die Autoren bei Herrn David Adams, Herrn Michael McCollum und Frau Erin Colebeck für ihre Bemühungen bei dieser Forschung bedanken.

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 <ol><li> 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. </li><li> Erhalten Schweinegewebe (Kopf, Bauch, oder Hinterbein) gesunder Schweine von einem lokalen Schlachthof innerhalb von 1-2 Stunden post mortem. </li><li> Speichern Schweinegewebe in Biohazard Sicherheitsbeutel und dann legen Sie sie in einem eisgekühlten Behälter (~ 5,56-7,22 ° C). HINWEIS: Verwenden Sie ein Thermometer, um zu überprüfen, dass die Temperatur in den Schweine-Probe nicht unter 7,22 fallen ° C. </li><li> Transport von Schweinegewebe zur nächsten Labor(An der Hochschule für Veterinärmedizin in Mississippi State University) für die Präparation. </li><li> Unter der Aufsicht eines Tierarztes in der College of Veterinary Medicine, chirurgisch zu extrahieren Schweineorgan (Gehirn, Leber, Muskeln, Fett, oder Sehnen) und legen Sie sie in Behältern mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) für die vorübergehende Lagerung (pH 7,4) gefüllt. </li><li> Speichern die PBS Behältern in einem eisgekühlten Kühler (~ 5,56 bis 7,22 ° C) und unmittelbar transportieren sie zu der Prüfeinrichtung für die Probenvorbereitung und SHPB Tests. </li></ol> 2. Biomaterial Probenvorbereitung <ol><li> Entfernen Sie die Schweine-Orgel aus dem PBS-Container und legen Sie es auf eine sterile Oberfläche. </li><li> HINWEIS: Geben Sie den primären Faserorientierung und Standorte für jede Testprobe. Verwenden Sie ein zylindrischer sterben mit 30 mm Innendurchmesser, um die Testprobe aus dem Schweine-Orgel zu sezieren. </li><li> Wenn die Testprobe ist im Inneren des zylindrischen Form verkeilt injizieren PBS durch das entgegengesetzte Ende der DissektionWerkzeug, damit der Testprobe, heraus zu schieben intakt. Legen Sie die extrahierten Testprobe auf einem separaten Teil des sterile Oberfläche. </li><li> Verwenden Sie ein Skalpell, um die Probe in die vorgeschriebene Dicke und das Seitenverhältnis zu trimmen. HINWEIS: SHPB Tests von Schweine Proben ist die Dicke von 10-15 mm, während das Bildseitenverhältnis (Dicke / Durchmesser) beträgt 0,33 bis 0,50 (2). </li><li> Verwenden Sättel, die Dicke und den Durchmesser an drei verschiedenen Stellen messen. </li><li> Speichern Sie alle Proben in frischem PBS, bis die SHPB Gerät bereit zum Testen. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Proben nicht innerhalb von 4 Stunden nach der Schlachtung untersucht. </li><li> Verwerfen Proben, die nicht zylindrisch aufgrund von Fehlern oder Abweichungen in dem Querschnitt Einschnitts. Zeigen verworfen Proben in Biohazard Sicherheitstaschen. Wiederholen Sie die Schritte 2,2 bis 2,6, um zusätzliche Proben zu erhalten. </li></ol> 3. Split-Hopkinson Pressure Bar Testing <ol><li> Legen Sie die Stürmer bar, Zwischenfall bar, und übermittelt Bar in der metal Rungen für SHPB Tests. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass Bars sind frei bewegliche anfühlt und dass ihre Schnittstellen zueinander ausgerichtet sind. Geben Sie einen Anschlag zum übertragen bar für die Sicherheit. </li><li> Schließen Sie die Dehnungsmessstreifen auf einfallhalten und übermittelt Bars an den Signalverstärker. Schalten Sie die Signalaufbereitungsverstärker und dem DAQ-Modul-Computer. </li><li> Initialisieren Sie den High-Speed-Datenerfassung-Software. </li><li> Überprüfen Sie die Live-Erfassung der Signale, um zu sehen, wenn sie im normalen Bereich liegen und bewirken den Rauschsignale durch Klicken auf die Null-Symbol. </li><li> Geben Sie den Triggerpegel und die Datenrate (2 MHz). </li><li> Initialisieren Sie die Software für die Aufnahme, sobald der Triggerpegel erreicht worden ist. </li><li> Laden Sie die Stürmer Bar neben der Druckkammer. Füllen der Druckkammer auf einen gewünschten Druck. HINWEIS: Der typische Druckbereich 5-25 psi. </li><li> Null aus dem Lasergeschwindigkeitsmesser durch Drücken der Nulltaste und stellen Sie es auf die Stürmer ba lesenr Geschwindigkeit durch Einstellung der Reflektorstreifen auf der Schlagbügel hinter den Lasersensoren. </li><li> Legen Sie die Probe Begrenzungskammer, so dass es die Bewegung des einfallenden und reflektierten bar nicht behindern. Setzen Sie den Vorfall bar in Kontakt mit der übertragenen bar. </li><li> Zur Kalibrierung, einen Test (ohne Probe) durch Drehen auf Schalterdrücker für die Druckkammer auf der Anschlagschiene. </li><li> Sobald die Daten in den Computer übernommen, speichern und die SHPB DMS Daten (die im nächsten Abschnitt beschrieben wird) zu analysieren, um sicherzustellen, daß der Testvorgang einwandfrei funktioniert. </li><li> Legen Sie die zylindrische Probe zwischen der Auf- und Durch bar und schließen Sie die Beispielhaft Kammer. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass keine Vorbehandlung ist auf der Probe durchgeführt. </li><li> Ausführen von Aufgaben von 3,4 bis 3,7 mit der Probe zwischen der Auf- und Durch bar getätigt. HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Probenmittellinie ist die gleiche wie die Bar Mittellinie. Vor VERFAHREng, auch zu prüfen, dass die Probe nicht komprimiert, sondern bleibt in der gleichen Geometrie wie zuvor extrahiert. </li><li> Nach vollständiger Prüfung ist, verwenden Sie Hygienetücher zur Probe Schmutz aus dem Vorfall bar, übermittelt bar und Beispielhaft Kammer zu entfernen. Entsorgen Sie alle Schmutz und wischt im Biohazard Sicherheitstaschen. </li><li> Desinfizieren Sie die Bars und Probeneinschlusskammer mit einem 70% Ethanol Reinigungslösung und Sanitärtücher. </li></ol> 4. SHPB Datennachbearbeitung <ol><li> Öffnen Sie die &quot;MSU High Rate Software 19&quot; für die Analyse von Hopkinson Bar Wellen. </li><li> Beginnen Sie die Software durch die Untersuchung das Fenster Einstellungen und die Wahl der &quot;Zug Druck /&quot; Option im Modus Tab für die Prüfung mit einachsiger. Auch, wählen Sie &quot;2 Messstreifen&quot; in der Gages Tab und klicken Sie auf &quot;Weiter&quot;. </li><li> Im Hauptfenster, wählen Sie die Datei öffnen 1 Tab, und navigieren Sie zu der einfallenden Welle Daten aus der DMS-Rekord auf der incident bar. Wählen Sie die Datei öffnen 2 Tab für den Import der übertragenen bar DMS-Rekord. </li><li> Wählen Sie die Registerkarte Parameter im Hauptfenster und geben die physikalischen Parameter des Testaufbaus wie: Bar Abmessungen, Spannung, um Faktoren, DMS-Positionen, und viskoelastische Dispersionskonstanten belasten. Klicken Sie auf &quot;Weiter&quot;. </li><li> Wählen Sie dann die Registerkarte Daten Wählen Sie im Hauptfenster und verwenden Sie die Cursor-Balken, um die Datenmenge nur auf die Menge der Daten, die den Zwischenfall zu reduzieren, reflektierte und übertragene Wellen. Klicken Sie auf &quot;Weiter&quot;. </li><li> Wählen Sie dann die Select Waves Tab im Hauptfenster und verwenden Sie die Cursor-Balken, um die einfallende Welle in der einfallenden Welle Graph, der reflektierten Welle in der reflektierten Welle Graph und der gesendeten Welle in der gesendeten Welle Graph beschränken. Klicken Sie auf &quot;Weiter&quot;. </li><li> Danach wählen Sie die richtige Tab im Hauptfenster, damit die Software für die viskoelastischen Dispersion 20-21 zu korrigieren. </li><li> Neinw wählen Sie die Shift-Tab im Hauptfenster. In der Wave-Diagramm, mit dem Cursor, um den Vorfall zu ziehen, reflektierte und übertragene Wellen auf die gleiche Ausgangsposition in der Zeit, indem Sie diese einzeln im Wave Select Tab. Alle Wellen in der Data Graph zu sehen. Einmal abgeschlossen, klicken Sie auf &quot;Weiter&quot;. </li><li> In der Ergebnisdatei, speichern Sie die Last, Verschiebung, Position und Geschwindigkeit, Profile, indem Sie auf &quot;Speichern unter&quot;. </li><li> Verwenden konventionellen Methoden in Microsoft Excel (oder einem anderen Tabellenkalkulationsprogramm) zu wahren Spannung und wahre Stamm unter Verwendung der Probenabmessungen gemessen vor der Hopkinson Bar-Test zu berechnen. </li></ol> 5. SHPB Finite Element Modeling <ol><li> Mit Software von kommerziellen Finite-Elemente (FE), erstellen Sie ein FE-Modell des SHPB Setup. HINWEIS: Verwenden Sie die gleichen Geometrien und Materialeigenschaften. </li><li> Weisen Sie eine Anfangsgeschwindigkeit auf die FE-Modell des Schlagleiste, um die FE-Simulation initialisieren. HINWEIS: Die Geschwindigkeitsder Schlaghebel sollte, dass in der SHPB Experiment für einen bestimmten Verformungsgeschwindigkeit 9 entsprechen. </li><li> Erstellen Sie ein FE-Modell des SHPB Setup ohne eine Probe zwischen der Auf- und Durch Bars platziert. Führen Sie die FE-Simulation. HINWEIS: Die simulierte Stürmer bar Geschwindigkeit sollte auf die experimentelle Stürmer bar Geschwindigkeit unter der &quot;no-Probe&quot; Zustand entsprechen. Ordnen Sie die Materialeigenschaften in Tabelle 1 für polymere Bars. </li><li> Überprüfen Sie, ob die DMS-Messungen (Fleck über der Zeit) im Experiment und FE-Simulation sind in guter Übereinstimmung. </li><li> Integrieren Sie die Biomaterial-Probe in das FE-Modell des SHPB Setup. Weisen Sie die dreidimensionale Umsetzung (in vumat Dateiformat 22) des ISV Materialmodell auf dem Biomaterial Probe 11. </li><li> Führen Sie eine Netzverfeinerung Studie mit drei unterschiedlichen Maschenöffnungen und die Ergebnisse analysieren, um festzustellen, ob die Lösungen zusammenlaufen. HINWEIS: Die MaschenGröße entspricht der Gesamtzahl der sechsflächigen und / oder tetraedrischen Elemente, die FE-Modell umfassen. Wählen Sie das FE-Modell mit der geringsten Maschenweite, die nach weiteren Simulationen 9 konvergiert. </li><li> Führen Sie die Zwei-Schritt-FE Modellkalibrierung. Im ersten Schritt, laden Sie die experimentellen Daten in den eindimensionalen Umsetzung des ISV Materialmodell. </li><li> Kalibrieren Sie die wahre Spannung Fleck Kurve des Experiments mit der Modell wahre Spannungs-Dehnungskurve durch Einstellung der ISV Material Modells Parameter (siehe Tabelle 1). HINWEIS: Weitere Iterationen sind erforderlich, weil die Versuchs SHPB Daten dreidimensionale Natur, während das Materialmodell ist eindimensional. </li><li> Ordnen Sie die ISV Materialkonstanten zu dem Biomaterial Probe in der FE-Modell des SHPB Setup. </li><li> Führen Sie die FE-Simulation mit der Schlagleiste Geschwindigkeit und Probenformänderungsgeschwindigkeit, die den SHPB Tests zur gleichen Verformungsgeschwindigkeit. </li><li> Compare der DMS-Messungen aus Experiment und FE-Simulation für eine gute Übereinstimmung (Stamm gegen die Zeit). HINWEIS: Wenn es eine gute Übereinstimmung der FE-Simulationen und Experimente DMS-Werte, um die zweite Stufe des Modells Kalibrierung fortzufahren. Wenn nicht, wiederholen Aufgaben 5,7-5,11. </li><li> Im zweiten Schritt der FE-Modellkalibrierung, führen Sie die FE-Simulation DMS Daten SHPB experimentieren Nachbearbeitungssoftware, MSU High Rate-Software 19-21. HINWEIS: Wenn der simulierte wahre Spannungs-Dehnungs-Reaktion ist vergleichbar mit dem experimentellen wahre Spannungs-Dehnungs-Antwort, dann die zweistufige FE Modellkalibrierung abgeschlossen ist. Wenn nicht, wiederholen Aufgaben 5,7-5,12. </li><li> Führen Sie ein Volumenmittel der Laderichtung (Σ 33) Stress entlang der Mittellinie Elemente des FE-Modells Probe. Hinweis: Wenn dieser Stress ist in guter Übereinstimmung mit der Spannungs-Dehnungskurve des eindimensionalen ISV Materialmodell Ergebnis, werden die Ergebnisse durch Tasks 5.7 erhalten-5,12 Vollständig kalibriert. Wenn nicht, wiederholen Aufgaben 5,7-5,13. Die wahre Spannungs-Dehnungs-Reaktion durch den eindimensionalen Umsetzung des ISV Materialmodell erfasst stellt den einachsigen wahre Spannungs-Dehnungsantwort eines Biomaterial, das in einem SHPB Setup getestet wurde. </li></ol>

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</ol>

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

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 ...

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 menschlichen Körper Modell kann für eine Rahmen verwendet, um bessere Standards für Verletzungsschutz zu bauen, um innovative Schutzkleidung zu entwerfen und zu Insassen centric Fahrzeug-Design zu ermöglichen. Explosive Explosion und stumpfen Auswirkungen: Zwei Modi der hohen Rate Verletzungen sind weit verbreitet in menschliche Trauma beobachtet. Explosion Schaden von explosiven Kampfmittel ist die primäre Quelle der traumatic Verletzungen (TI) und die führende Ursache des Todes auf dem Schlachtfeld 1. Wenn gezündet bilden diese Sprengstoffe eine nach außen ausbreitende Schockwelle, die große und plötzliche Beschleunigungen und Verformungen erzeugt. Die daraus resultierenden Belastungen ernsthafte Bedrohungen für diejenigen ausgesetzt. Obwohl ein Teil der Anatomie kann durch Stoßwellen verletzt werden, die Hauptproblembereiche sind (1) der unteren Extremität aufgrund seiner Nähe zu Boden, und (2) den Kopf, da Verletzungen können normale Gehirnfunktion und das Überleben 2 hemmen , 3. Diese Verletzungen können primäre, sekundäre oder tertiäre Verletzungen je nach der Art der Verletzung erlitten kategorisiert werden. Da die Stärke eines explosiven wird durch sein Gewicht oder Größe, Arbeitsabstand, positive Impulsdauer und Medium, durch das es reist ist, kann es schwierig sein, diese Verletzungen 3-6 adäquat zu kategorisieren. Congressional Berichte zeigen, dass Angehörige der Streitkräfte haben fast 179.000 traumatischen Verletzungen durch explosive erlittenWaffen und Verkehrsunfälle im Irak und in Afghanistan von 2000 bis März 2010 2. Aufgrund der Beschaffenheit und Lage der modernen Kampf sind Kopfverletzungen ein führender Anliegen sowohl für die Soldaten und Zivilisten 3. Abgesehen von Kampfszenarien, hat TI eine Vielzahl von Ursachen einschließlich Automobil-Trauma; rodeo, Motorrad-und Haushaltsunfälle; und Sportverletzungen. Zum Beispiel, trotz Verbesserungen an Sicherheitsausrüstung und Protokollen, mechanisch induzierte traumatische Hirnverletzungen (TBI) weiterhin eine führende Quelle für Mortalität und Morbidität lebenslanges in den USA Das Center for Disease Control and Prevention (CDC) berichtet werden rund 1,4 Millionen TBI Veranstaltungen pro Jahr, von denen fast 50.000 sind fatal. American-Football allein entfallen über 300.000 TBIs jedes Jahr 7. Überlebende solcher Verletzungen mit einem Risiko für langfristigen neurologischen Komplikationen auf Empfindung, Wahrnehmung und Kommunikation. Zu dieser Zeit gibt es etwa5,3 Millionen Amerikaner leben mit dieser chronischen Nachteile und Behinderungen. Direkte und indirekte US medizinischen Kosten von 2000 bis 2010 in Höhe von $ 60000000000 8. Allerdings sind diese Zahlen nicht für nicht-medizinische Kosten und Verluste, oder diejenigen, die von den Familien und Freunden unterstützt SHT-Patienten entstehen Konto. Über rein ökonomische Analyse, erstellt TBI-induzierten Behinderung eine signifikante Reduktion der Lebensqualität, die als bedeutende Belastung für die Familien und die Gesellschaft manifestieren kann. Die Notwendigkeit für ein weiteres Verständnis der Formation, Charakterisierung und Prävention von TI ist klar. Biomechanische Untersuchungen der zugrunde liegenden Mechanismen, die TI geben Einblick und die Möglichkeit, um die Exposition für die an potenzielle Risiko für den TI zu reduzieren oder zu verbessern, Sicherheitsfunktionen verursachen. Darüber hinaus können weitere Förderung der allgemeinen Verständnis von TI Bildung diagnostische Methoden und Kriterien zu verbessern, die medizinische Fachleute, die TI bessere Mittel zur Verbesserung der Ergebnisse zu behandelns und Leben zu retten. Eine bessere Kenntnis der Verletzungsmechanismen und ein besseres Verständnis der Biomechanik Verletzungs Entwicklung erforderlich sind, um effektive Maßnahmen zum Schutz des menschlichen Körpers zu entwickeln. Historisch haben Simulationen vorhersagen Verletzungen dienen und die durch Rechen Einschränkungen sowie die Wiedergabetreue des anatomischen und Materialmodelle verwendet behindert. Ganzkörper-Simulationen auf die Gesamtbelastungen auf jedes Körperteil konzentriert, aber die lokale Spannung, Dehnung und Schäden in jedem Organ, Muskel, Knochen usw. nicht eingehalten wurde. Zum Beispiel Schulter Moment Modelle verwenden die Abmessungen des Arms, der Last und der angelegten Winkel für Tabellenwerte, die angeben, ob ein bestimmtes Szenario ist gefährlich zu suchen. Eine Berechnung dieser Art ist hilfreich für schnelle Schätzungen kann aber nicht erfassen, was wird lokal von der Hand auf der Schulter passiert den ganzen Weg, vor allem, wenn Schäden und Verletzungen sind eigen lokalen. Zweitens FE simulations wurden verwendet, um die lokale Reaktion zu erfassen. Die Einschränkung bei diesen Bemühungen war nicht FEA selbst, sondern die Materialmodelle, die jedes Körperteil Verhalten unter Explosion Verletzungen Lasten definieren. Bisher verwendeten Materialmodelle werden aus einfacheren Materialien angepasst und haben nicht versucht, die Vielzahl von komplexen mechanischen Verhalten von biologischen Geweben ausgestellt zu erfassen. Daher High-Fidelity-Rechenmodelle mit ISV Materialmodelle für die Organe im menschlichen Körper stellen die realistischste Weg, um die Physik und Biomechanik des TIs zu untersuchen, um innovative Schutzkleidung zu entwerfen und zu besseren Standards für Verletzungen Metriken zu etablieren. Hintergrund auf Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) und innere Zustandsgröße (ISV) Materialmodell Aufgrund ethischer Fragen mit in-vivo-Tests von menschlichen Organen und die logistischen Probleme mit breit angelegte menschlichen Leichen Testung, die curr beteiligtent Forschungsaufwand beinhaltet mechanischen Experimenten in vitro unter Verwendung von Proben von Organen aus Tier Surrogate extrahiert vorbereitet (zB Schwein als am häufigsten verwendete Ersatz). Polymer SHPB für in-vitro-Tests weichen Biomaterialien bei hohen Dehnraten die bevorzugte Methode. Die entsprechenden Deformationsverhalten von SHPB Prüfung und entsprechende Gewebeschäden bezogene Informationen von den mikrostrukturellen Merkmale des Gewebes sind für Orgel mechanische Beschreibungen 9-10 in unsere ISV Materialmodelle eingebaut. Diese Materialmodelle werden dann in unserem virtuellen menschlichen Körper Modell FEA von verschiedenen Verletzungen führen implementiert. Dieser Prozess ermöglicht es uns, auf das Ziel ist die Prognose der Physik und der Natur einer Verletzung für einen bestimmten Organ unter verschiedenen mechanischen Belastungsbedingungen (zB Explosion-induzierte, Autounfall und stumpfen Schlag) ohne die Notwendigkeit für weitere physikalische Experimente zu bewegen. Um genau zu beschreiben, ter phänomenologischen mechanischen Eigenschaften, insbesondere die höhere Dehnungsratenabhängigkeit, der in der FE-Simulationen des menschlichen Körpers verwendet Biomaterialien wurden SHPB Experimente auf den Biomaterialien durchgeführt, um dynamische mechanische Reaktionen auf Belastungsraten in Bezug auf Menschen TIs erhalten. Ein Überblick über die SHPB Setup am Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS), Mississippi State University (MSU) ist in Abbildung 1 dargestellt. Frühere Studien haben gezeigt, dass SHPB Prüfung hat drei große Mängel damit 12-18 verbunden. Das erste und bedeutendste ist das Material Trägheitseffekt, der in dem hohen Dehngeschwindigkeit mechanische Reaktion ein Biomaterial Probe als Anfangsspitze zeigt. Um dieses Problem zu überwinden, schlug bisherigen Forschungsanstrengungen Modifikation der Geometrie der Probe von zylindrischer Form, um quaderförmige oder ringförmige Form. Die resultierenden mechanischen Verhalten von solchen Studien waren unterschiedlich from jeweils anderen, weil die Geometrie der Probe beeinflusst die Wellenausbreitung, wave-Wechselwirkungen und die mechanische Antwort. Diese Art der Modifizierung der Probengeometrie hat, eine fehlerhafte Darstellungen der mechanischen Reaktion (mehrachsige ungleichmäßige Spannungszustand) des Biomaterials geführt. Die zweite große Schwachstelle war die Unfähigkeit, dynamischen Kräftegleichgewicht während eines Tests zu erhalten. Die Forscher überwand dieses Problem durch Reduzierung der Probendicke-zu-Durchmesser-Verhältnis und / oder Einfrieren des Gewebes vor der Prüfung. Bei gleichzeitiger Reduzierung der Probendicke-zu-Durchmesser-Verhältnis mit der Frage der dynamischen Kräftegleichgewicht, das Einfrieren des Gewebes noch komplizierter, das Testverfahren, wie es die Materialeigenschaften verändert aufgrund der Kristallisation des im Gewebe vorhandenen Wasser. Eine Reihe von Studien die SHPB, um die oben genannten Mängel zu vermeiden und Stoßwellenrohre verwendet, um den Druck-Zeitverhalten in verschiedenen Tiermodellen (Ratten, Schweine, etc.) zu erhalten, ganz aufgegeben. Diese jedoch eineimal Modelle geben keine eindimensionale einachsigen Spannungs-Dehnungs-Verhalten für Materialmodelle in FE Simulationen notwendig. Der dritte Fehler war das Versagen des SHPB einem Spannungs-Dehnungs-Ergebnisse, weil der Probe barre dimensional geben aufgrund der Weichheit des Materials und der Menge an Wassergehalt in der Probe. Daher stellt der SHPB eine tragfähige Testvorrichtung zu hohen Belastungsrate Daten zu sammeln. Für weiche Materialien ist jedoch die SHPB induziert Vorwölbung, die einen dreidimensionalen Spannungszustand von hydrostatischen Druck produziert, doch die eindimensionale Spannungs-Dehnungs-Daten gewünscht wird. Wir zeigen hier, wie man immer noch die SHPB die eindimensionale einachsigen wahre Spannungs-Dehnungskurve für Materialmodellkalibrierung zu sammeln; Jedoch kann das Verfahren bei der Beschaffung der uniaxialen wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve beteiligt ist kompliziert. Dieses Verfahren umfasst sowohl die multiaxiale experimentellen Daten und FE Simulationsergebnissen und iterative Rekalibrierung erfordertdie Materialmodellkonstanten. Die eindimensionale Umsetzung des ISV Materialmodell in MATLAB, die auch als Material Punkt Simulator bekannt ist, erfordert eine eindimensionale experimentellen Daten für die Kalibrierung. So wurde die ISV Materialmodell optimiert mit Hilfe eines systematischen Kalibrierungsprozess. Hier wurde experimentellen Daten aus SHPB Tests im Zusammenhang mit der Wellentheorie Formulierung und dynamischen Kräftegleichgewicht (MSU High Rate Software) berücksichtigt. Um für das viskoelastische Dispersion des polymeren SHPB viskoelastische Dispersion Gleichungen zu berücksichtigen, wie von Zhao et al. (2007), wurden in MSU High Rate Software implementiert. Die viskoelastischen Dispersion Gleichungen half bei der Gewährleistung dynamischen Kräftegleichgewicht während des Tests. Das Material Punkt Simulator eindimensionale wurde dann im Rahmen von ein paar Experiment-FE Modellierungsmethode eingestellt, bis die beiden Prozesse wurden als angemessen kompatibel, das heißt, die Daten aus beiden waren in guter Übereinstimmung zu sein. Diese Daten warenverwendet, um die ISV Modell Materialkonstanten durch den Vergleich der MATLAB Material Antwort Simulators (eindimensionale) mechanische Reaktion und die SHPB FE Modells (eindimensionale) Probenmittel Stress anzupassen. Hier war Probenspannungskomponente des FE-Modells entlang der Welle Belastungsrichtung. Dann wurde das dreidimensionale Verhalten des FE-Probe durch iteratives Ausführen FE-Simulationen und Einstellen ISV Konstanten so dass volumengemittelten Laderichtung Belastung gut mit den experimentellen wahre Spannungs-Dehnungs-Antwort korreliert kalibriert. Somit wird ein Prozess der iterativen Optimierung zwischen den experimentellen Daten, FE Ergebnisse sowie eindimensionale ISV Materialmodell durchgeführt wurde. Die Tabelle 1 gibt eine Zusammenfassung der Variablen ISV Materialmodell (MSU TP Ver. 1.1) 11. Das wichtigste Element dieser Methodik Erhalten der eindimensionalen mechanische Reaktion des Biomaterials und dessen Materialparameterfür die ISV Materialmodell, das die SHPB Testfragen der Spannungs-Zustand Ungleichmäßigkeit umgeht. Sie trennt auch die anfängliche nichtlineare Antwort des Biomaterials aus Trägheitseffekte und macht eine mechanische Reaktion immanenten Materials ist. Die gekoppelten Methodik zeigte auch, dass eine Änderung in der Probengeometrie verändert die Randwertproblem (BVP) und die Belastungsrichtung wahre Spannungs-Dehnungs der Probe. Als solche kann die vorstehend beschriebene Methode mit jeder Materialmodell (phänomenologische oder mikroBasis) für die Kalibrierung und die Simulation hoher Dehnungsrate Verhalten von menschlichen Organen unter schädigende mechanische Belastungen verwendet werden.

<table><tbody><tr><td>Hochdruck-Rohrverschraubung aus Edelstahl 316, Rohrgröße 1/2 Außengewinde x 1/4 Innengewinde, Sechskant-Reduzierbuchse</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Typ 316 Edelstahl-Gewinderohrverschraubung, 3/4 Außengewinde x 1/4 Innengewinde, Sechskant-Reduzierbuchse 150&nbsp; psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Wartungsfreundlicher Kugelhahn Typ 316SS mit 316 Edelstahlenden, 1/2" NPT Innengewinde</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Wartungsfreundlicher Kugelhahn Typ 316SS, mit 316 Edelstahlenden, 3/4" NPT Innengewinde</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>ASME-Code Edelstahl Pop-Sicherheitsventil, 1/4 NPT Außengewinde, 300&nbsp; psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Präzisions-Hochdruck-Rohrverschraubung 316SS, 1/2 x 1/2 Rohrgröße, 1-7/8" Länge, Sechskantnippel</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>8</td></tr><tr><td>Typ 316 Edelstahl-Gewinderohrverschraubung, 1/2 Rohrgröße, T-Stück, 150&nbsp; psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Prüfmanometer mit Sicherheitskoffer, Polyesterkoffer, Standard, trocken, 600&nbsp; psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Digitalanzeige, Kunststoffgehäuse, 2-1/2" Zifferblatt, 1/4 unterer Anschluss, 300&nbsp; psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Typ 316 Edelstahl 37 Grad Bördelrohrverschraubung, Adapter für 1/4" Rohr AD x 1/8" NPT Außengewinde</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>12</td></tr><tr><td>303 Edelstahl 37 Grad JIC Drehverschraubung für 3/16" ID</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>12</td></tr><tr><td>Hochdruck-Chemieschlauch, 3/16" ID, 0,312" OD, 3.000 psi</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>6</td></tr><tr><td>Hochreiner Gasregler einstufig, Stickstoff, 0-125 psi, CGA #580</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Schlauch für Stickstoffgas-, Argon- und Sauerstoffmessing-Fem-Fittings, PTFE-Schlauch, 3' L, 1/4" ID, 3.600</td><td>psi McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>Hochdruck-Rohrverschraubung aus Edelstahl 316 1/4 x 1/4 Rohrgröße, Sechskantnippel</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>4</td></tr><tr><td>Hochdruck-Rohrverschraubung 316 SS mit Gewinde 3/4 x 3/4 Rohrgröße, Sechskantnippel</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Hochdruck-Rohrverschraubung 316 SS mit Gewinde 1/4 Außengewinde x 1/8 Innengewinde Rohrgröße, Sechskantbuchse</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Standard Messing-Kompressionsrohrverschraubung Adapter für 1/4" Rohr AD x 1/4" NPTF Außengewinde</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>4</td></tr><tr><td>Kobalt 1/4 Zoll Mini-Regler mit Manometer-Lowes</td><td></td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>1/4" x 25 ft Polyethylen-Schlauch</td><td>Lowes</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>1-1/2" Durchmesser Polycarbonat (PC) Stange</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>LTV-35 4-Wege-Ventil Mead Fluid Dynamics</td><td>Motion Industries</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Pneumatischer doppeltwirkender Antrieb</td><td>Valtronic</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Kugelhahn aus Edelstahl 1/2"</td> <td>Valtronic</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Buckeye Druckbehälter</td><td>Buckeye</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>SR-4 Allzweck FAE-25-35SX Dehnungsmessstreifen</td><td>Mikromessung Vishay Precision Group</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>M-M Signalkonditionierungsverstärker 2310A</td><td>Mikromessung Vishay Precision Group</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Laser ROLS-W Optischer Sensor</td><td>Monarch Instruments</td><td></td><td>1</td></tr></tbody></table>

a gekoppelt experiment-finite-elemente-modeling-methode zur bewertung hohe strain rate mechanisches verhalten von weicher biomaterialien

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

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.

<html> 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 Ausstell...

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.

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

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die einachsig hochgradige Dehnungsrate und die wahre Spannungs-Dehnungs-Antwort der getesteten weichen Biomaterialien zu ermitteln. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Gehirnprobe in einer Split-Hopkinson-Druckstab-Apparatur (SHPB) getestet wird und anschließend die eindimensionale Version des Materialmodells anhand der experimentell ermittelten wahren Spannungs-Dehnungs-Antwort kalibriert wird. Danach wird die Finite-Elemente- (FE-)Simulation des SHPB-Aufbaus durchgeführt, um die durchschnittliche Spannung in Belastungsrichtung der Probe sowie die Spannung entlang der Mittellinie zu bewerten.Der letzte Schritt besteht darin, iterativ die eindimensionale Anpassung des Materialmodells und die Spannung entlang der Mittellinie der FE-Simulation sowie die dreidimensionale FE-Lastrichtung, die Spannung und die experimentelle wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve zu vergleichen, bis eine gute Übereinstimmung zwischen den genannten Ergebnissen erreicht ist. Letztendlich wird die gekoppelte experimentell-numerische Methode verwendet, um zu zeigen, dass die einachsige wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve für weiche Biomaterialien mittels einer

a-coupled-experiment-finite-element-modeling-methodology-for

Research

Forschung

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Bioengineering

Biotechnik

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

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