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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die einachsige hohe Dehnungsrate, die wahre Spannungs-Dehnungs-Reaktion der zu testenden weichen Biomaterialien, zu erhalten. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Gehirnprobe in einem Split-Hopkinson-Druckbalken oder SHPB-Gerät getestet und dann die eindimensionale Version des Materialmodells mit experimenteller echter Spannungs-Dehnungs-Reaktion kalibriert wird. Anschließend wird die Finite-Elemente- oder FE-Simulation des SHPB-Aufbaus durchgeführt, um die durchschnittliche Belastungsrichtung, die Spannung und die Mittellinienspannung der Probe zu bewerten.

Der letzte Schritt besteht darin, die eindimensionale Materialmodellanpassung und die Mittellinienspannung der FE-Simulation sowie die dreidimensionale FE-Belastungsrichtung, die Spannung und die experimentelle tatsächliche Spannungsdehnungsreaktion iterativ zu vergleichen, bis eine gute Übereinstimmung zwischen den oben genannten Ergebnissen erreicht ist. Letztendlich wird die gekoppelte experimentelle Finite-Elemente-Methode verwendet, um zu zeigen, dass die einachsige wahre Spannungsdehnungsantwort für weiche Biomaterialien mit Hilfe eines SHPB erhalten werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Stoßrohrtests besteht darin, dass diese Technik die hohe Dehnungsrate einachsig mechanisch auf ein weiches Biomaterial reagiert

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Diagnose von traumatischen Hirnverletzungen durch virtuelle Modellierung des menschlichen Körpers. Denn die mit der aktuellen Methode gewonnenen Daten können lokale Verletzungen und Schäden, die durch ein Trauma am menschlichen Kopf entstehen, genau erfassen. Wir hatten die Idee zu dieser Methode zum ersten Mal, als wir daran arbeiteten, die Daten des Experiments mit hoher Belastungsrate des Gehirns mit den Ergebnissen der Schilddrüse und der Modellierung zu korrelieren. Dieses Verfahren wird von Tierarzt Dr. Jim Cooley, Doktorand, Herrn Soro Patnaik und wissenschaftlichem Mitarbeiter Herrn Wilburn Wittington unter der Aufsicht eines Tierarztes chirurgisch Schweineorgane wie Gehirn Leber, Muskeln, Fett oder Sehnen.

Legen Sie sie dann zur vorübergehenden Lagerung in Behälter, die mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder PBS gefüllt sind. Lagern Sie die PBS-Behälter in einem eisgekühlten Kühler und transportieren Sie sie sofort zur Testanlage zur Probenvorbereitung und Split-Hopkins-in-Druck-Bar- oder SHPB-Prüfung. Sobald Sie sich in der Testeinrichtung befinden, nehmen Sie das Schweineorgan aus dem PBS-Behälter und legen Sie es auf eine sterile Oberfläche.

Identifizieren Sie die Ausrichtung und die Positionen der primären Faser für jedes Testmuster. Anschließend wird die Testprobe mit einem zylindrischen Farbstoff mit einem Innendurchmesser von 30 Millimetern aus dem Schweineorgan präpariert. Verwenden Sie anschließend ein Gerüst, um die Probe auf die vorgeschriebene Dicke und das vorgeschriebene Aspektverhältnis für die SHPB-Prüfung von Schweineproben zu trimmen.

Die Dicke beträgt 10 bis 15 Millimeter, während das Seitenverhältnis Punkt 33 bis 0,5 beträgt. Verwenden Sie Messschieber, um die Dicke und den Durchmesser an drei verschiedenen Stellen zu messen. Platzieren Sie eine Schließschiene, eine Einfallsstange und eine übertragene Stange in den Metallverlängerungen für die SHPV-Prüfung.

Stellen Sie sicher, dass sich die Balken frei bewegen können und dass ihre Schnittstellen zueinander ausgerichtet sind. Zur Sicherheit einen Stopper für die übertragene Stange vorsehen. Schließen Sie die gespannten Messgeräte an, kleben Sie die einfallenden und übertragenen Stäbe an den Signalverstärker.

Schalten Sie die Signalaufbereitungsverstärker und den Computer des Datenerfassungsmoduls ein. Initialisieren Sie dann die Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssoftware. Überprüfen Sie die Live-Erfassung der Signale, um festzustellen, ob sie im normalen Bereich liegen, und löschen Sie die Rauschsignale, indem Sie auf das Nullsymbol klicken.

Laden Sie die Schlagstange neben der Druckkammer. Bauen Sie die Druckkammer auf den gewünschten Druck auf, indem Sie die Düse des Stickstofftanks öffnen, und dann das Einlassventil der Druckkammer, schalten Sie den Lasergeschwindigkeitsmesser auf Null aus, indem Sie die Nulltaste drücken, und stellen Sie ihn so ein, dass er die Geschwindigkeit der Schlagstange anzeigt, indem Sie den Reflektorstreifen auf der Schlagstange einstellen. Hinter den Lasersensoren.

Die Probeneinschlusskammern sind so zu platzieren, dass sie die Bewegung der einfallenden und reflektierten Stangenstange nicht behindern. Platzieren Sie dann den einfallenden Stab zu Kalibrierzwecken in Kontakt mit dem übertragenen Stab. Führen Sie einen Test ohne Probe durch, indem Sie den Auslöseschalter für die Druckkammer an der Strykerstange betätigen.

Nach der Kalibrierung ist eine zylindrische Probe zwischen dem einfallenden und dem übertragenen Stab zu platzieren und dann die Einschlusskammer der Probe zu schließen. Stellen Sie sicher, dass keine Vorkonditionierung an der Probe durchgeführt wird, indem Sie das mehrfache Be- und Entladen der Probe vermeiden, und führen Sie den Test nach Abschluss des Tests durch. Verwenden Sie Einweg-Hygienetücher, um Probenreste aus dem einfallenden Stab, dem übertragenen Stab und der Probeneinschlusskammer zu entfernen.

Entsorgen Sie alle Ablagerungen und Tücher in Sicherheitsbeuteln für biologische Gefahren. Desinfizieren Sie die Stangen und die Probeneinschlusskammer. Mit einer Reinigungslösung mit 70 % Ethanol und Hygienetüchern.

Öffnen Sie die MSU-High-Rate-Software zur Analyse von Hopkins in Balkenwellen. Beginnen Sie die Software, indem Sie das Einstellungsfenster untersuchen und die Option Zugkompression auf der Registerkarte Modus für die einachsige Prüfung auswählen. Wählen Sie außerdem zwei Messgeräte auf der Registerkarte Messgeräte aus und klicken Sie auf Weiter Wählen Sie im Hauptfenster die Registerkarte Datei öffnen ein und navigieren Sie zu den einfallenden Wellendaten aus dem DMS-Datensatz auf dem Ereignisbalken, wählen Sie die Registerkarte Datei zwei öffnen aus, um den Datensatz des übertragenen Dehnungsmessstreifens zu importieren.

Wählen Sie als Nächstes die Registerkarte Parameter im Hauptfenster und geben Sie die physikalischen Parameter des Testaufbaus ein, einschließlich Stangenabmessungen, Spannungs-Dehnungsfaktoren, DMS-Positionen und viskoelastische Dispersionskonstanten. Klicken Sie auf Weiter. Wählen Sie dann im Hauptfenster die Registerkarte Daten auswählen und verwenden Sie die Cursorleisten, um den Datensatz auf die Datenmenge zu reduzieren, die die einfallenden, reflektierten und übertragenen Wellen enthält.

Klicken Sie auf Weiter. Navigieren Sie an dieser Stelle zur Registerkarte Wellen auswählen im Hauptfenster und verwenden Sie die Cursorleisten, um die einfallende Welle im einfallenden Wellendiagramm, die reflektierte Welle und das reflektierte Wellendiagramm sowie die übertragene Welle und das übertragene Wellendiagramm einzugrenzen. Klicken Sie dann auf Weiter.

Wählen Sie danach die richtige Registerkarte im Hauptfenster aus, damit die Software die viskoelastische Dispersion korrigieren kann. Wählen Sie nun im Hauptfenster im Wellendiagramm den Shift-Tab aus. Verwenden Sie den Cursor, um die einfallenden, reflektierten und übertragenen Wellen an die gleiche Ausgangsposition zu ziehen.

Indem Sie jede einzelne auswählen. Zeigen Sie auf der Registerkarte "Wellenauswahl" alle Wellen im Datendiagramm an. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie in der Ergebnisdatei auf Weiter.

Speichern Sie die Positions- und Geschwindigkeitsprofile der Last, indem Sie mit kommerzieller Finite-Elemente- oder FE-Software auf Speichern unter klicken. Erstellen Sie ein FE-Modell des SHPB-Setups. Führen Sie dann eine FE-Simulation durch.

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

Kalibrieren Sie die wahre Spannungsdehnungskurve des Experiments mit der wahren Spannungsdehnungskurve des Modells, indem Sie die Parameter der internen Zustandsvariablen Materialmodelle anpassen. Weisen Sie dann der Biomaterialprobe im FE-Modell für den SHPB-Aufbau die internen Zustandsvariablen Materialkonstanten zu. Führen Sie als Nächstes die FE-Simulation mit der Geschwindigkeit des Stryker-Stabs und der Verformungsdehnungsrate der Probe aus, die den SHPB-Tests bei derselben Dehnungsrate entsprechen.

Führen Sie im zweiten Schritt der FE-Modellkalibrierung die Daten des FE-Simulations-Dehnungsmessstreifens aus. SHPB-Experiment-Nachbearbeitungssoftware MSU-Software mit hoher Rate. Führen Sie abschließend einen Volumenmittelwert der Belastungsrichtungsspannung entlang der Mittellinienelemente des FE-Modellbeispiels durch.

Die Wirksamkeit der gekoppelten Methodik wird hier beispielhaft veranschaulicht. Die experimentelle SHPV-Spannungsdehnungsreaktion für das Gehirn befindet sich in einem niedrigeren Stresszustand im Vergleich zum Stresszustand des eindimensionalen Materialpunktsimulators, der dem Durchschnitt des Spannungszustands der FE-Probe in der Mittellinie ähnelt. Dies ist auf die mehrachsige Natur der Verformung zurückzuführen.

Das hier gezeigte weiche BioMAT-Exponat sind repräsentative Materialkonstanten für das Gehirn, die durch das gekoppelte SHPB-Experiment F FE-Simulationsmethode erhalten wurden. Die virtuellen Dehnungsmessstreifen der Finite-Elemente-Analyse werden mit den experimentellen Dehnungsmessstreifen verglichen und dann gleichzeitig der Materialpunktsimulator und der FE-Mittelliniendurchschnitt verglichen, um eine gute Übereinstimmung zu erzielen. Hier werden die Materialkonstanten so lange variiert, bis mehr als zwei gut übereinstimmen.

Diese Abbildung zeigt, dass die experimentelle SHPB-Spannungs-Dehnungskurve tatsächlich die erste Invariante der Spannung misst und nicht das einachsige Spannungs-Dehnungsverhalten in Belastungsrichtung. Daher wäre die alleinige Verwendung der SHPB-Versuchsergebnisse falsch, wenn sie nicht mit der FE-Typmodellierung gekoppelt wären, um das einachsige Verhalten zu bewerten. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 12 Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass Experimente beim Testen von Weichdrahtmaterialien mit mehrachsigen Stößen