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

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 SHPB ermittelt werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Stoßrohrversuchen liegt darin, dass sie die mechanische Antwort weicher Biomaterialien bei hohen Dehnraten unter einachsigen Bedingungen liefert.

Die Implikationen dieser Technik reichen bis hin zur Diagnose von traumatischen Hirnverletzungen durch die Modellierung des virtuellen menschlichen Körpers. Denn die mit der aktuellen Methode gewonnenen Daten können lokal begrenzte Verletzungen und Schäden infolge eines Traumas am menschlichen Kopf genau erfassen. Die Idee zu dieser Methode entstand, als wir daran arbeiteten, experimentelle Daten zu hohen Dehnungsraten im Gehirn mit Ergebnissen aus der Schilddrüsenuntersuchung und Modellierung zu korrelieren. Veterinärmediziner Dr. Jim Cooley, der Doktorand Mr. Soro Patnaik und der wissenschaftliche Mitarbeiter Mr. Wilburn Wittington demonstrieren dieses Verfahren. Unter Aufsicht eines Veterinärs werden Schweineorgane wie Gehirn, Leber, Muskel, Fett oder Sehne chirurgisch entnommen.

Danach in Behälter füllen, die mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder PBS zur vorübergehenden Aufbewahrung gefüllt sind. Die PBS-Behälter in einem gekühlten Kühlbehälter lagern und unverzüglich zur Testeinrichtung transportieren, um die Proben vorzubereiten und den Split-Hopkinson-Druckstab- oder SHPB-Test durchzuführen. Sobald sich die Probe in der Testeinrichtung befindet, das Schweineorgan aus dem PBS-Behälter nehmen und auf eine sterile Oberfläche legen.

Identifizieren Sie die primäre Faserausrichtung und die Positionen für jede Testprobe. Verwenden Sie anschließend einen zylindrischen Stempel mit einem Innendurchmesser von 30 Millimetern, um die Testprobe aus dem Schweineorgan zu präparieren. Danach verwenden Sie eine Schablone, um die Probe auf die vorgeschriebene Dicke und den vorgeschriebenen Seitenverhältnis für SHPB-Tests an Schweineproben zuzuschneiden.

Die Dicke beträgt 10 bis 15 Millimeter, während das Seitenverhältnis 0,33 bis 0,5 beträgt. Messen Sie die Dicke und den Durchmesser an drei verschiedenen Stellen mit einem Messschieber. Bringen Sie einen Schlagkörper, einen Einfallsstab und einen Durchgangsstab in den Metallverlängerungen für die SHPV-Prüfung an.

Stellen Sie sicher, dass sich die Stäbe bei Berührung frei bewegen lassen und dass ihre Schnittstellen zueinander ausgerichtet sind. Befestigen Sie eine Anschlagvorrichtung an dem übertragenen Stab zur Sicherheit. Schließen Sie die Dehnungsmessdosen an und befestigen Sie sie an dem einfallenden und dem übertragenen Stab an den Signalverstärker.

Schalten Sie die Signalverstärker für die Signalvorverarbeitung und den Computer des Datenerfassungsmoduls ein. Initialisieren Sie anschließend die Software zur Hochgeschwindigkeitsdatenaufnahme. Überprüfen Sie die Echtzeitaufnahme der Signale, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des normalen Bereichs liegen, und eliminieren Sie Rauschsignale, indem Sie auf das Null-Symbol klicken.

Befestigen Sie die Anschlagstange neben der Druckkammer. Erhöhen Sie den Druck in der Kammer auf den gewünschten Wert, indem Sie zunächst die Düse des Stickstoffbehälters und anschließend das Einlassventil der Druckkammer öffnen. Nullen Sie das Lasergeschwindigkeitsmessgerät durch Drücken der Null-Taste und stellen Sie es so ein, dass es die Geschwindigkeit der Anschlagstange misst, indem Sie den Reflektorstreifen an der Anschlagstange hinter den Lasersensoren positionieren.

Platzieren Sie die Proben-Einspannkammern so, dass sie die Bewegung des einfallenden und reflektierten Stabes nicht behindern. Bringen Sie dann den einfallenden Stab zur Kalibrierung in Kontakt mit dem durchgehenden Stab. Führen Sie einen Test ohne Probe durch, indem Sie den Auslöseschalter für die Druckkammer am Stryker-Stab einschalten.

Nach der Kalibrierung ein zylindrisches Probe zwischen den einfallenden und den transmittierten Stab legen und anschließend die Probenhaltekammer schließen. Sicherstellen, dass keine Vorbelastung der Probe erfolgt, indem mehrfaches Belasten und Entlasten der Probe vermieden wird, und den Test durchführen, nachdem die Prüfung abgeschlossen ist. Einweg-Desinfektionstücher verwenden, um Probenrückstände vom einfallenden Stab, vom transmittierten Stab und aus der Probenhaltekammer zu entfernen.

Entsorgen Sie alle Rückstände und Tücher in Sicherheitstüten für Bioabfälle. Desinfizieren Sie die Stäbe und die Probenkammer mit einer Reinigungslösung aus 70 % Ethanol und hygienischen Tüchern.

Öffnen Sie die MSU-Software mit hoher Messrate zur Analyse der Hopkinson-Druckwellen. Starten Sie die Software, indem Sie das Einstellungsfenster aufrufen und im Register „Modus“ die Option „Zug/Druck“ für die einachsige Prüfung wählen. Wählen Sie außerdem im Register „Dehnmessstellen“ zwei Messstellen aus und klicken Sie auf „Weiter“. Wählen Sie im Hauptfenster die Registerkarte „Datei öffnen 1“ und navigieren Sie zu den Daten der einlaufenden Welle aus dem Dehnungsmessstreifen-Aufzeichnung der einlaufenden Stange. Wählen Sie die Registerkarte „Datei öffnen 2“, um die Aufzeichnung des Dehnungsmessstreifens der transmittierten Stange zu importieren.

Als Nächstes wählen Sie im Hauptfenster die Registerkarte „Parameter“ aus und geben die physikalischen Parameter des Prüfaufbaus ein, einschließlich der Stababmessungen, der Spannungs-Dehnungs-Faktoren, der Dehnungsmessstreifen-Positionen und der viskoelastischen Dispersionskonstanten. Klicken Sie auf „Weiter“. Danach wählen Sie im Hauptfenster die Registerkarte „Daten auswählen“ aus und verwenden Sie die Cursorbalken, um den Datensatz auf den Bereich zu reduzieren, der nur die einfallende, reflektierte und transmittierte Welle enthält.

Klicken Sie auf „Weiter“. Navigieren Sie nun im Hauptfenster zur Registerkarte „Wellen auswählen“ und verwenden Sie die Cursorleisten, um die einfallende Welle im Diagramm der einfallenden Welle, die reflektierte Welle im Diagramm der reflektierten Welle und die transmittierte Welle im Diagramm der transmittierten Welle einzugrenzen. Klicken Sie anschließend auf „Weiter“.

Danach wählen Sie im Hauptfenster die entsprechende Registerkarte aus, um der Software die Korrektur der viskoelastischen Dispersion zu ermöglichen. Wählen Sie nun im Hauptfenster die Registerkarte „Shift“ im Wellendiagramm. Verwenden Sie den Cursor, um die einfallende, reflektierte und transmittierte Welle zeitlich auf dieselbe Anfangsposition auszurichten.

Indem jeder einzelne ausgewählt wird. Im Register Wellenauswahl können alle Wellen im Daten-Graphen angezeigt werden. Nach Abschluss klicken Sie im Ergebnisdatei auf Weiter.

Speichern Sie die Position und die Geschwindigkeitsprofile der Lastaufbringung, indem Sie mit kommerzieller Finite-Elemente- oder FE-Software „Speichern unter“ auswählen. Erstellen Sie ein FE-Modell der SHPB-Anordnung. Führen Sie anschließend eine FE-Simulation durch.

Überprüfen Sie, ob die Dehnungsmessstreifen-Messungen im Experiment und in der FE-Simulation gut übereinstimmen. Integrieren Sie die Biomaterialprobe in das FE-Modell der SHPB-Anordnung. Weisen Sie der Biomaterialprobe eine dreidimensionale Implementierung des Materialmodells mit internen Zustandsvariablen zu.

Kalibrieren Sie die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve des Experiments mit der wahren Spannungs-Dehnungs-Kurve des Modells, indem Sie die Parameter der Materialmodelle für innere Zustandsvariablen anpassen. Weisen Sie anschließend die Materialkonstanten für innere Zustandsvariablen der Biomaterialprobe im FE-Modell für den SHPB-Aufbau zu. Führen Sie danach die FE-Simulation mit der Geschwindigkeit des Stryker-Stabs und der Dehnungsrate der Probendeformation durch, die den SHPB-Versuchen bei derselben Dehnungsrate entsprechen.

Im zweiten Schritt der FE-Modellkalibrierung führen Sie die Finite-Elemente-Simulation mit Dehnungsmessstreifendaten durch. SHPB-Experiment-Post-Processing-Software MSU High-Rate-Software. Führen Sie abschließend eine volumenbezogene Mittelung der Spannung in Belastungsrichtung entlang der Elemente der Mittellinie der FE-Modellprobe durch.

Die Wirksamkeit der gekoppelten Methodik wird hier beispielhaft gezeigt. Die experimentelle Spannungs-Dehnungs-Antwort des Gehirns im SHPV-Test befindet sich im Vergleich zum Spannungszustand des eindimensionalen Materialpunktsimulators – der dem mittleren Spannungszustand entlang der Zentrumslinie der FE-Probe ähnelt – auf einem niedrigeren Spannungsniveau. Dies liegt an der mehraxialen Art der Verformung.

Die hier gezeigten weichen BioMAT-Ergebnisse stellen repräsentative Materialkonstanten für das Gehirn dar, die mittels der gekoppelten SHPB-Experiment-FE-Simulationsmethodik gewonnen wurden. Die virtuellen Dehnungsmessstreifen der Finite-Elemente-Analyse werden mit den experimentellen Dehnungsmessstreifen verglichen, und gleichzeitig werden der Materialpunkt-Simulator und der FE-Mittellinien-Mittelwert verglichen, um eine gute Übereinstimmung zu erzielen. Dabei werden die Materialkonstanten solange variiert, bis mehr als zwei in guter Übereinstimmung sind.

Diese Abbildung zeigt, dass die experimentelle wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve der SHPB tatsächlich die erste Invariante der Spannung misst und nicht das Spannungs-Dehnungs-Verhalten in der einachsigen Belastungsrichtung. Daher wäre die alleinige Verwendung der SHPB-Experimentaldaten fehlerhaft, wenn sie nicht mit einer FE-artigen Modellierung zur Bewertung des einachsigen Verhaltens gekoppelt würde. Sobald die Methode beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung innerhalb von 12 Stunden durchgeführt werden.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass Experimente multiaxiale Spannungen aufweisen, wenn weiche Drahtmaterialien getestet werden.