Un elemento de modelado Metodología Junto Experimento-finito para la evaluación de alta Strain Tasa de respuesta mecánica de Biomateriales Soft

Summary

El estudio actual establece una metodología de simulación de elemento finito-experimento acoplado a obtener la respuesta mecánica dinámica uniaxial de biomateriales blandos (cerebro, hígado, tendón, grasa, etc.). Los resultados experimentales multiaxiales que surgieron a causa de la muestra abombamiento obtuvieron de Split-Hopkinson pruebas de presión bares fueron prestados a un comportamiento tensión-deformación uniaxial cierto cuando simulado mediante la optimización iterativa del análisis de elementos finitos del biomaterial.

Abstract

Este estudio ofrece un enfoque de simulación elemento experimental y finitos combinado (FE) para examinar el comportamiento mecánico de los biomateriales blandos (por ejemplo, el cerebro, el hígado, los tendones, grasa, etc.) cuando se exponen a altas velocidades de deformación. Este estudio utilizó una barra de presión Split-Hopkinson (SHPB) para generar velocidades de deformación de 100-1,500 seg ^-1. El SHPB emplea un bar delantero que consta de un material viscoelástico (policarbonato). Una muestra del biomaterial se obtuvo poco postmortem y preparado para las pruebas de SHPB. La muestra se interpone entre el incidente y barras de transmisión y los componentes neumáticos del SHPB se activaron para conducir la barra delantero hacia la barra incidente. El impacto resultante generó una ola esfuerzo de compresión (es decir onda incidente) que viajó a través de la barra incidente. Cuando la onda de tensión de compresión alcanza el extremo de la barra incidente, una porción continuó hacia adelante a través de la muestra y transmite bar (i.e. onda transmitida) mientras que otra parte revierte a través de la barra incidente como una ola a la tracción (es decir, refleja la onda). Estas ondas se midieron utilizando bandas extensométricas montadas sobre el incidente y bares de transmisión. El verdadero comportamiento de tensión-deformación de la muestra se determina a partir de ecuaciones basadas en propagación de la onda y la fuerza de equilibrio dinámico. La respuesta experimental tensión-deformación era de tres dimensiones en la naturaleza debido a que el espécimen se hinchó. Como tal, se utilizó la tensión hidrostática (primera invariante) para generar la respuesta de tensión-deformación. Con el fin de extraer el uniaxial (unidimensional) respuesta mecánica de los tejidos, se realizó una optimización iterativo acoplada utilizando los resultados experimentales y análisis de elementos finitos (FEA), que contenía un modelo (ISV) material de variable de estado interno utilizado para el tejido. El modelo de material ISV utilizado en las simulaciones FE de la configuración experimental fue calibrado de forma iterativa (es decir, optimizado) a los datos experimentales tales that el experimento y los valores medidor de deformación FEA y primera invariante de tensiones se encontraban en buen acuerdo.

Introduction

Motivación

El objetivo cardinal de la división junto - Hopkinson Presión Bar (SHPB) experimento / modelado de elementos finitos de biomateriales blandos (como el cerebro, el hígado, los tendones, grasa, etc.) era extraer sus comportamientos mecánicos uniaxiales para su posterior aplicación en el cuerpo humano FE simulaciones bajo cargas mecánicas perjudiciales. El modelo de cuerpo humano de elementos finitos (FE) consiste en una detallada malla cuerpo humano y un modelo de la historia depende multiescala viscoelástico-viscoplástico Interior del Estado (ISV) de material variable para diferentes órganos humanos. Este model....

Protocol

Declaración de Ética: NOTA: El presente trabajo es exclusivo de la política de investigación de la institución, y sigue estrictamente la bio-seguridad y la Oficina apropiada de Cumplimiento Regulatorio (ORC) directrices.

1. Biomateriales Espécimen de Adquisiciones

1. Llevar equipo de protección personal de acuerdo con los protocolos de bioseguridad estándar de laboratorio y / o institución. Use zapatos con punta cerrados, pantalones largos, una bata de laboratorio, guantes quirúrgicos, una máscara protectora y gafas de seguridad durante la manipulación de tejido porcino y pruebas.
2. Obtener tejido porcino (cabeza, el abdom....

Results

La eficacia de la metodología acoplado se ejemplifica en la Figura 3. Aquí el SHPB experimental respuesta de tensión-deformación para el cerebro está en un estado de tensión inferior (con una tensión de pico de 0,32 MPa) en comparación con el estado de tensión del material unidimensional simulador de punto (con un valor máximo de 0,74 MPa), que es similar a la línea central de la muestra FE media (elemento). Esto es debido a la naturaleza de la deformación que biomateriales suaves de exposiciones. Debid.......

Discussion

La metodología informado de que las parejas del experimento SHPB y FE modelado de la SHPB ofrece una técnica novedosa y única para evaluar el uniaxial verdadera respuesta de tensión-deformación de un biomaterial a altas velocidades de deformación. Con el fin de adquirir propiedades mecánicas intrínsecas al tejido nativo, se debe tener cuidado para mantener la muestra de biomateriales entre 5,56 a 7,22 ° C antes de la prueba SHPB. Si la muestra se enfría por debajo de 5,56 ° C, el agua presente en el tejido comienza a cr.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Accesorio de tubería roscado de acero inoxidable 316 de alta presión, tamaño de tubería 1/2 macho x 1/4 hembra, casquillo reductor hexagonal	McMaster-Carr		2
tipo 316, 3/4 macho x 1/4 hembra, casquillo reductor hexagonal 150  psi	McMaster-Carr		2
Válvula de bola tipo 316SS de fácil mantenimiento, con extremos de acero inoxidable 316, 1/2" NPT hembra	McMaster-Carr		2
Válvula de bola 316SS de fácil mantenimiento, con extremos de acero inoxidable 316, 3/4" NPT hembra	McMaster-Carr		2
Válvula de seguridad antipop de acero inoxidable con código ASME, 1/4 NPT macho, 300  psi	McMaster-Carr		2
Accesorio de tubería 316SS de precisión de extrema presión, tamaño de tubería de 1/2 x 1/2, longitud de 1-7/8", boquilla hexagonal	McMaster-Carr		tipo
8 316, tamaño de tubería 1/2, T, 150  psi	McMaster-Carr		2
Medidor de prueba con estuche de seguridad, estuche de poliéster, estándar, seco, 600  psi	McMaster-Carr		2
Indicador digital, caja de plástico, dial de 2-1/2", conexión inferior de 1/4, 300  psi	McMaster-Carr		2
Tipo 316 Acero inoxidable Accesorio de tubo acampanado de 37 grados, adaptador para tubo de 1/4" de diámetro exterior x 1/8" NPT	Tubo macho McMaster-Carr		12
303 Accesorio giratorio JIC de acero inoxidable de 37 grados para 3/16" de diámetro interno	McMaster-Carr		12
Manguera química de alta presión, 3/16" de diámetro interior, 0.312" de diámetro exterior, 3,000 psi	McMaster-Carr		6
Regulador de gas de alta pureza de una sola etapa, nitrógeno, 0-125 psi, CGA #580	Manguera McMaster-Carr		2
para gas nitrógeno, argón y oxígeno Accesorios Fem de latón, manguera de PTFE, 3' L, 1/4" ID, 3,600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
Accesorio de tubería roscado SS 316 de presión extrema 1/4 x 1/4 de tamaño, boquilla hexagonal	McMaster-Carr		4
Accesorio de tubería roscado de acero inoxidable 316 de presión extrema Tamaño de tubería de 3/4 x 3/4, boquilla hexagonal	McMaster-Carr		2
Accesorio de tubería roscado de presión extrema 316 SS 1/4 macho x 1/8 hembra tamaño de tubería, buje hexagonal	McMaster-Carr		2
Adaptador de accesorio de tubo de compresión de latón estándar para tubo de 1/4" de diámetro exterior x tubo macho NPTF de 1/4	Mini regulador McMaster-Carr		4
Kobalt 1/4 de pulgada con manómetro	Lowes		Tubería
polietileno de 2 1/4" x 25 pies	Varilla
policarbonato (PC) de 2 1-1/2" de diámetro	McMaster-Carr		2
LTV-35 Hidromiel con válvula de 4 vías Dinámica de fluidos	Motion Industries		2
Actuador neumático de doble acción	Valtronic		2
Válvula de bola de acero inoxidable 1/2"	Valtronic		2
Recipiente a presión Buckeye	Buckeye		2
SR-4 Uso general FAE-25-35SX Galgas extensométricas	Micromedición Vishay Precision Group		2
M-M Amplificador de acondicionamiento de señal 2310A	Micromedición Vishay Precision Group		1
Láser Sensor óptico ROLS-W	Monarch Instruments		1