Name: Un elemento de modelado Metodología Junto Experimento-finito para la evaluación de alta Strain Tasa de respuesta mecánica de Biomateriales Soft (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 28 s
Description: Aprende una metodología acoplada de experimento y simulación de elementos finitos para evaluar la respuesta mecánica de biomateriales blandos a alta velocidad de deformación.

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Los autores desean reconocer al Centro de Sistemas Vehiculares Avanzados (CAVS) y al Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica de la Universidad Estatal de Mississippi por apoyar este trabajo. Este material se basa en el trabajo apoyado por el Comando del Ciclo de Vida TACOM del Ejército de los EE. UU. bajo el Contrato No. W56HZV-08-C-0236, a través de un subcontrato con la Universidad Estatal de Mississippi, y se realizó para el programa de investigación Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS). Además, este material se basa en el trabajo apoyado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (Departamento de Energía) bajo el número de adjudicación [DE-FC26-06NT42755]. Finalmente, los autores desean agradecer al Sr. David Adams, al Sr. Michael McCollum y a la Sra. Erin Colebeck por su esfuerzo en esta investigación.

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 <ol><li> 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. </li><li> Obtener tejido porcino (cabeza, el abdomen o las patas traseras) de los cerdos sanos de un matadero local dentro post mortem 01.02 h. </li><li> Guarde tejido porcino en bolsas de seguridad de riesgo biológico y luego colocarlos en un recipiente con hielo (~ 5,56 a 7,22 ° C). NOTA: Use un termómetro para verificar que la temperatura en la muestra de la especie porcina no caiga por debajo de 7.22 ° C. </li><li> Transportar tejido porcino al laboratorio más cercano(En el Colegio de Medicina Veterinaria de la Universidad Estatal de Mississippi) para la disección. </li><li> Bajo la supervisión de un veterinario en la Facultad de Medicina Veterinaria, extraer quirúrgicamente órgano porcino (cerebro, hígado, músculo, grasa, o tendón) y colocarlos en recipientes llenos de tampón fosfato salino (PBS) para el almacenamiento temporal (pH 7,4). </li><li> Almacenar los envases de PBS en un refrigerador de hielo (~ 5,56 a 7,22 ° C) e inmediatamente transportarlos a la instalación de pruebas para la preparación de muestras y pruebas SHPB. </li></ol> 2. Biomateriales Preparación de la muestra <ol><li> Retire el órgano porcino desde el contenedor PBS y colocarlo sobre una superficie estéril. </li><li> NOTA: Identificar la orientación de la fibra primaria y ubicaciones para cada muestra de prueba. Utilice morir una cilíndrico con un diámetro interior 30 mm para diseccionar la muestra de prueba desde el órgano porcino. </li><li> Si la muestra de ensayo se acuña dentro de la matriz cilíndrica, inyectar PBS a través del extremo opuesto de la disecciónherramienta para permitir que la muestra de ensayo se deslice fuera intacta. Introducir la muestra extraída en un área separada de la superficie estéril. </li><li> Utilice un bisturí para cortar la muestra a la relación de espesor y aspecto prescrito. NOTA: Para la prueba SHPB de muestras porcinas, el espesor es de 10 a 15 mm, mientras que la relación de aspecto (espesor / diámetro) es 0,33 a 0,50 (Figura 2). </li><li> Utilice calibradores para medir el espesor y el diámetro en tres lugares diferentes. </li><li> Guarde todas las muestras de prueba en PBS fresco hasta que el dispositivo SHPB está listo para la prueba. NOTA: Asegúrese de que las muestras se prueban dentro de 4 horas después de la masacre. </li><li> Desechar las muestras que no son cilíndrica debido a la incisión errores o variaciones en la sección transversal. Coloque las muestras de desecho en bolsas de seguridad de riesgo biológico. Repita los pasos 2.2 a 2.6 para obtener muestras de prueba adicionales. </li></ol> 3. Split-Hopkinson Prueba de presión Bar <ol><li> Coloque la barra delantero, barra de incidente, y la barra de transmisión en el mcandeleros etal para pruebas SHPB. NOTA: Asegúrese de que las barras están en movimiento libre al tacto y que sus interfaces están alineados entre sí. Proporcionar un tapón para la barra de transmisión para la seguridad. </li><li> Conecte los calibradores de tensión se adhirieron a incidentes y bares transmitidos al amplificador de señal. Encienda los amplificadores de acondicionamiento de señal y el equipo del módulo de adquisición de datos. </li><li> Inicialice el software de captura de datos de alta velocidad. </li><li> Verifique la captura en vivo de las señales para ver si se encuentran dentro del rango normal, y anular las señales de ruido haciendo clic en el icono de cero. </li><li> Introduzca el nivel de disparo y la velocidad de datos (2 MHz). </li><li> Inicialice el software para grabar una vez se ha alcanzado el nivel de disparo. </li><li> Cargar el bar delantero adyacente a la cámara de presión. Llenar la cámara de presión a una presión deseada. NOTA: El rango de presión típico es 5-25 psi. </li><li> Cero a cabo la medición de la velocidad del láser pulsando el botón de cero y la puso a leer los ba delanteror la velocidad mediante el establecimiento de la tira reflector en la barra delantero detrás de los sensores láser. </li><li> Coloque la cámara de muestras confinamiento de tal manera que no obstaculice el movimiento del incidente y reflejada bar. Coloque la barra incidente en contacto con la barra de transmisión. </li><li> Para fines de calibración, realizar una prueba (sin muestra) girando el interruptor disparador para la cámara de presión en la barra de delantero. </li><li> Una vez que los datos se adquiere en el ordenador, guardar y analizar los datos de medidor de deformación SHPB (que se discuten en la siguiente sección) para garantizar que el procedimiento de prueba está funcionando correctamente. </li><li> Coloque la muestra cilíndrica entre el incidente y la barra de transmisión y cierre el compartimento de medición, el confinamiento. NOTA: Asegúrese de que ningún acondicionamiento previo se realiza en la muestra. </li><li> Realizar tareas 03.04 a 03.07 con la muestra colocada entre el incidente y la barra de transmisión. NOTA: Asegúrese de que la línea central de la muestra es la misma que la línea central de la barra. Antes proceeding, también comprobar que la muestra no es comprimido, pero permanece en la misma geometría que extrajo previamente. </li><li> Después de la prueba está completa, utilice sanitaria desechable limpia para eliminar los residuos de la muestra en la barra de incidente, la barra de transmisión, y la cámara de confinamiento muestra. Deseche todos los escombros y toallitas húmedas en bolsas de seguridad de riesgo biológico. </li><li> Desinfecte la cámara de bares y muestra de confinamiento utilizando una solución de limpieza de etanol al 70% y toallitas sanitarias. </li></ol> 4. SHPB Datos Post-procesamiento <ol><li> Abra el &quot;MSU alta tasa de Software 19&quot; para el análisis de las ondas Hopkinson Bar. </li><li> Comience el software mediante el examen de la ventana Configuración y elegir la opción &quot;Tensión / Compresión&quot; en la ficha Modo de prueba uniaxial. También, seleccione &quot;2 Gages&quot; en la ficha Gages y haga clic en &quot;Continuar&quot;. </li><li> En la ventana principal, seleccione el archivo abierto 1 Tab, y vaya a la onda incidente de datos del registro de medidor de deformación en el incidebar nt. Seleccione la ficha Abrir archivo 2 para la importación de la barra de transmisión registro de instrumento cepa. </li><li> Seleccione la ficha Parámetros de la ventana principal y la entrada de los parámetros físicos de la configuración de la prueba, incluyendo: las dimensiones de barras, la tensión a la tensión factores, posiciones de bandas extensométricas y constantes dispersión viscoelástico. Haga clic en &quot;Continuar&quot;. </li><li> A continuación, seleccione la ficha de datos Seleccione en la ventana principal y utilice las barras de cursor para reducir el conjunto de datos sólo a la cantidad de datos que contienen el incidente, reflejada, y las ondas de transmisión. Haga clic en &quot;Continuar&quot;. </li><li> A continuación, seleccione la ficha Seleccionar Ondas en la ventana principal y utilizar las barras de cursor para confinar la onda incidente en el incidente de la onda Gráfico, la onda reflejada en el gráfico de la onda reflejada y la onda transmitida en la Onda Gráfico de Transmisión. Haga clic en &quot;Continuar&quot;. </li><li> Después de eso, seleccione la ficha correcta en la ventana principal para que el software para corregir la dispersión viscoelástico 20-21. </li><li> Now seleccionar el Desplazamiento de pestañas en la ventana principal. En el gráfico de la onda, utilice el cursor para arrastrar el incidente, reflejada y transmitida olas a la misma posición inicial en el tiempo mediante la selección de cada uno de ellos individualmente en la lista Seleccione Tab Wave. Ver todas las olas en el gráfico de datos. Una vez completado, haga clic en &quot;Continuar&quot;. </li><li> En el archivo de resultados, excepto la carga, el desplazamiento, la posición y la velocidad, perfiles, haga clic en &quot;Guardar como&quot;. </li><li> Utilice métodos convencionales en Microsoft Excel (o cualquier otro software de hoja de cálculo) para calcular la verdadera tensión y deformación real usando las dimensiones de la probeta medidos antes de la prueba Hopkinson Bar. </li></ol> Modelado 5. SHPB Elementos Finitos <ol><li> El uso de elementos finitos (FE) de software comercial, crear un modelo de FE de la configuración SHPB. NOTA: Utilice las mismas geometrías y propiedades de los materiales. </li><li> Asignar una velocidad inicial al modelo FE de la barra delantero para inicializar la simulación FE. NOTA: La velocidaddel delantero barra debe corresponder a la del experimento SHPB para una tasa cepa particular 9. </li><li> Crear un modelo de FE de la configuración SHPB sin una muestra colocada entre el incidente y bares de transmisión. Ejecutar la simulación FE. NOTA: La velocidad de la barra delantero simulado debe corresponder a la velocidad experimental bar delantero bajo la condición de &quot;no muestra&quot;. Asignar propiedades de los materiales indicados en la Tabla 1 para bares poliméricos. </li><li> Verifique si las mediciones de bandas extensométricas (mancha en función del tiempo) en el experimento y simulación FE están en buen acuerdo. </li><li> Incorporar la muestra biomaterial en el modelo FE de la configuración SHPB. Asigne la aplicación en tres dimensiones (en formato de archivo vumat 22) del modelo de material de ISV a la muestra biomaterial 11. </li><li> Realizar un estudio de refinamiento de malla utilizando tres diferentes tamaños de malla y luego analizar los resultados para determinar si las soluciones convergen. NOTA: La mallatamaño corresponde al número total de hexaedros y / o elementos tetraédricos que comprenden el modelo FE. Seleccione el modelo FE con el tamaño más bajo malla que converge después de nuevas simulaciones 9. </li><li> Llevar a cabo la calibración de dos pasos modelo FE. En el primer paso, cargar los datos experimentales en la unidimensional implementar el modelo de material de ISV. </li><li> Calibrar la verdadera curva de esfuerzo-manchas del experimento con la verdadera curva de tensión-deformación del modelo mediante el ajuste de los parámetros del modelo de material ISV (ver Tabla 1). NOTA: Se necesitan más iteraciones porque los datos experimental SHPB es tridimensional en la naturaleza, mientras que el modelo de material es unidimensional. </li><li> Asigne las constantes del material ISV para la muestra biomaterial en el modelo FE de la configuración SHPB. </li><li> Ejecutar la simulación FE con la velocidad bar delantero y muestra la velocidad de deformación deformación correspondiente a las pruebas SHPB a la misma velocidad de deformación. </li><li> Compare las mediciones medida de deformación de la experimentación y simulación de FE de buen acuerdo (cepa en función del tiempo). NOTA: Si hay una buena concordancia entre las simulaciones FE y valores medidor de deformación experimento, pasar a la segunda etapa del proceso de calibración del modelo. Si no, repita Tareas 05.07 a 05.11. </li><li> En el segundo paso de la calibración del modelo FE, ejecute la cepa de simulación SHPB datos galga FE experimentar software de post-procesamiento, software MSU Alta Tasa 19-21. NOTA: Si la respuesta tensión-deformación verdadera simulada se compara con el experimental verdadera respuesta tensión-deformación, luego el de dos pasos calibración del modelo FE se ha completado. Si no, repita Tareas 05.07 a 05.12. </li><li> Realiza una media de volumen de la dirección de carga (Σ 33) el estrés a lo largo de los elementos de la línea central de la muestra modelo FE. NOTA: Si esta tensión está en buen acuerdo con la curva de tensión-deformación del resultado material modelo unidimensional ISV, a continuación, los resultados obtenidos a través de Tareas 5.7-5.12 Están calibrados plenamente. Si no, repita Tareas 05.07 a 05.13. La verdadera respuesta de tensión-deformación capturado a través de la aplicación de una sola dimensión del modelo de material de ISV representa la uniaxial verdadera respuesta de tensión-deformación de un biomaterial que fue probado en una configuración de SHPB. </li></ol>

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</ol>

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses con todo el material relacionado con esta publicación.

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...

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 modelo de cuerpo humano puede ser utilizado para un marco para construir mejores estándares para la protección de lesiones, para diseñar el equipo de protección innovadora, y para permitir el diseño vehicular centrada ocupante. Dos modos de lesión tasa alta han sido ampliamente observado en el trauma humano: explosión explosivo y el impacto contundente. Explosión daño de armamento explosivo es la principal fuente de traumatilesiones c (TI) y la principal causa de muerte en el campo de batalla 1. Cuando detonó, estos explosivos forman una onda de choque de ida de propagación que produce grandes y bruscas aceleraciones y deformaciones. Las cargas resultantes plantean serias amenazas para las personas expuestas. Aunque cualquier parte de la anatomía puede ser herido por las ondas de choque, las principales áreas de preocupación son (1) la extremidad inferior, debido a su proximidad a la tierra, y (2) la cabeza ya que las lesiones pueden inhibir la función cerebral normal y la supervivencia 2 , 3. Estas lesiones pueden ser categorizados como lesiones primarias, secundarias o terciarias, dependiendo del tipo de lesión sufrida. Debido a la fuerza de un explosivo se caracteriza por su peso o tamaño, distancia de separación, la duración del pulso positivo, y medio a través del cual viaja, puede ser difícil de clasificar adecuadamente estas lesiones 3-6. Informes del Congreso indican que el personal militar han sufrido casi 179,000 lesiones traumáticas debido a la explosivaarmamento y vehículos se estrella en Irak y Afganistán desde 2000 hasta marzo de 2010 2. Debido a la naturaleza y ubicación de combate moderno, lesiones en la cabeza son una preocupación principal para los militares y la población civil 3. Aparte de escenarios de combate, TI tiene una variedad de causas, incluyendo trauma de la automoción; rodeo, motocicleta y accidentes domésticos; y lesiones deportivas. Por ejemplo, a pesar de la mejora de los equipos de seguridad y los protocolos, inducida mecánicamente lesión cerebral traumática (TBI) continúa siendo una fuente importante de mortalidad y morbilidad de por vida en los EE.UU. El Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) reporta aproximadamente 1.4 millones de eventos de TBI cada año, de los cuales casi 50.000 son mortales. El fútbol americano por sí sola representa más de 300.000 LCT cada año 7. Los supervivientes de este tipo de lesiones están en riesgo de complicaciones neurológicas a largo plazo relacionados con la sensación, la cognición y la comunicación. En este momento hay aproximadamente5,3 millones de estadounidenses que viven con estas desventajas crónicas y discapacidades. Costos médicos directos e indirectos estadounidenses 2000-2010 totalizaron $ 60 mil millones 8. Sin embargo, estas cifras no tienen en cuenta los costos y las pérdidas no médicos, o los efectuados por los familiares y amigos que apoyan pacientes con TCE. Más allá de meramente análisis económico, discapacidad inducida por TBI crea una reducción significativa en la calidad de vida que puede manifestarse como una carga significativa para las familias y la sociedad. La necesidad de una mayor comprensión de la formación, la caracterización, y la prevención de TI es clara. Los estudios biomecánicos de los mecanismos subyacentes que causan la TI proporcionar una visión y una oportunidad para reducir la exposición o mejorar las características de seguridad para las personas en situación de riesgo potencial para la TI. Por otra parte, más el avance de la comprensión general de la formación de TI puede mejorar los métodos y criterios de diagnóstico, proporcionando a los profesionales médicos que tratan a TI con mejores medios para mejorar resultadoss y salvar vidas. Se necesita un mejor conocimiento de los mecanismos de lesión y una mejor comprensión de la biomecánica del desarrollo de lesiones para desarrollar medidas efectivas de protección para el cuerpo humano. Históricamente, las simulaciones destinadas a la predicción de lesiones se han visto obstaculizados por las restricciones computacionales, así como la fidelidad de la anatomía y modelos de materiales empleados. Simulaciones de cuerpo completo se han centrado en las cargas generales de cada parte del cuerpo, pero no se ha observado el local de estrés, tensión, y daños en cada órgano, músculo, hueso, etc. Por ejemplo, los modelos momento hombro utilizan las dimensiones del brazo, la carga y el ángulo aplicado a buscar valores tabulares que especifican si es o no un escenario particular es peligroso. Un cálculo de que la naturaleza es útil para las estimaciones rápidas, pero no puede captar lo que está sucediendo a nivel local de la mano todo el camino hasta el hombro, especialmente cuando los daños y lesiones son intrínsecamente local. En segundo lugar, FE simulations se han utilizado para capturar la respuesta local. La limitación en estos esfuerzos no ha sido en sí FEA, pero los modelos de materiales que definen el comportamiento de cada parte del cuerpo bajo cargas de lesiones explosión. Modelos de materiales previamente empleados son una adaptación de los materiales más simples y no han tratado de capturar la miríada de comportamientos mecánicos complejos exhibidos por los tejidos biológicos. Por lo tanto, de alta fidelidad modelos computacionales con modelos de materiales ISV para órganos en el cuerpo humano representan la forma más realista para investigar la física y la biomecánica de IT, para diseñar el equipo de protección innovadora, y establecer mejores estándares para las métricas de lesiones. Antecedentes sobre Split-Hopkinson Bar Presión (SHPB) y Variable Interior del Estado (ISV) Modelo material Debido a problemas éticos involucrados con las pruebas in vivo de órganos humanos y los problemas logísticos asociados a gran escala de pruebas de cadáver humano, el curresfuerzo de investigación ent implica experimentos mecánicos in vitro utilizando muestras preparadas a partir de órganos extraídos de sustitutos animales (por ejemplo, el cerdo como un sustituto más utilizado). SHPB polimérico ha sido el método preferido para ensayos in vitro biomateriales suaves a altas velocidades de deformación. Los comportamientos de deformación relevantes de las pruebas y la información SHPB daños relacionados con el tejido correspondiente de las características microestructurales de los tejidos se incorporan en nuestros modelos de materiales ISV para las descripciones mecánicas de órganos 9-10. Estos modelos de materiales se implementan en nuestro modelo de cuerpo humano virtual para realizar FEA de varias lesiones. Este proceso nos permite avanzar hacia el objetivo de predecir con exactitud la física y la naturaleza de una lesión de un órgano determinado bajo diversas condiciones de carga mecánica (inducida por la explosión por ejemplo, accidente de tráfico y el impacto contundente) sin la necesidad de una mayor experimentación física. Con el fin de describir con precisión tél fenomenológico propiedades mecánicas, en particular la dependencia de la velocidad de deformación nivel más alto, de los biomateriales utilizados en las simulaciones FE del cuerpo humano, los experimentos se realizaron en SHPB los biomateriales para obtener respuestas mecánicas dinámicas en velocidades de deformación correspondientes a los intermediarios de confianza humano. Una visión general de la configuración SHPB en el Centro de Sistemas Vehiculares Avanzados (CAVS), la Universidad Estatal de Mississippi (MSU) se presenta en la Figura 1. Estudios anteriores han demostrado que las pruebas SHPB tiene tres defectos importantes asociados con ella 12-18. El primero y más importante es el efecto de inercia material, que se manifiesta en la respuesta mecánica de alta velocidad de deformación de una muestra de biomateriales como un pico inicial. A fin de superar este problema, los esfuerzos de investigación anteriores sugirieron la modificación de la geometría de la probeta de forma cilíndrica para cúbicas o de forma anular. Los comportamientos mecánicos resultantes de tales estudios eran diferentes from entre sí debido a la geometría de la probeta afectó a la propagación de la onda, las interacciones de onda, y la respuesta mecánica. Este tipo de modificación de la geometría de la muestra ha conducido a representaciones erróneas de la respuesta mecánica (estado de tensión multiaxial y no uniforme) del biomaterial. El segundo defecto importante fue la incapacidad para mantener la fuerza de equilibrio dinámico durante una prueba. Los investigadores superaron este problema mediante la reducción de la muestra relación de espesor a diámetro y / o la congelación del tejido antes de la prueba. Si bien la reducción de la muestra relación espesor a diámetro abordó la cuestión de la fuerza de equilibrio dinámico, la congelación del tejido complica aún más el procedimiento de prueba, ya que cambia las propiedades del material debido a la cristalización de agua presente en el tejido. Un número de estudios abandonó completamente la SHPB para evitar la mencionada defectos y utilizado tubos de choque para obtener la respuesta de presión-tiempo en diversos modelos animales (ratas, cerdos, etc.). Sin embargo, estos unamodelos iMAL no dan unidimensionales conductas de esfuerzo-deformación uniaxial necesarios para modelos de materiales utilizados en las simulaciones FE. El tercer defecto fue el fracaso de la SHPB para dar uno Resultados de tensión-deformación dimensional debido a la muestra barreling debido a la suavidad de material y la cantidad de contenido de agua en la muestra. Por lo tanto, la SHPB presenta un aparato de prueba viable para reunir datos de tasa alta deformación. Para materiales blandos, sin embargo, el SHPB induce abultamiento que produce un estado de tensión tridimensional principalmente de la presión hidrostática, sin embargo, se desea que los datos una tensión-deformación dimensional. Mostramos aquí cómo todavía se puede utilizar el SHPB para reunir la curva verdadera tensión-deformación uniaxial unidimensional para la calibración del modelo de material; sin embargo, se complica el proceso para la obtención de la verdadera curva de tensión-deformación uniaxial. Este proceso incluye tanto los datos experimentales multi-axiales y resultados de la simulación Fe, y requiere recalibración iterativo delas constantes de modelo de material. La implementación de una dimensión del modelo de material de ISV en MATLAB, también conocido como simulador de punto material, requiere datos experimentales unidimensionales para la calibración. Así, el modelo de material de ISV se optimizó el uso de un proceso de calibración sistemática. En este caso, los datos experimentales de pruebas SHPB fue considerado en el contexto de la formulación de la teoría ondulatoria y la fuerza de equilibrio dinámico (MSU alta tasa de Software). Con el fin de dar cuenta de la dispersión viscoelástica de la SHPB polimérico, ecuaciones de dispersión viscoelásticas, según lo informado por Zhao et al. (2007), se llevaron a cabo en MSU Rate Software alta. Las ecuaciones de dispersión viscoelásticas ayudaron a la hora de garantizar el equilibrio dinámico de la fuerza durante las pruebas. A continuación, el simulador de punto de material de unidimensional se ajustó en el contexto de un experimento-FE metodología de modelado de par hasta que se consideraron los dos procesos a ser adecuadamente compatibles, es decir, los datos de ambos estaban en buena concordancia. Estos datos eranutilizado para ajustar las constantes del material modelo mediante la comparación de ISV (unidimensional) respuesta mecánica del simulador de respuesta del material y MATLAB (unidimensional) espécimen estrés línea central del modelo SHPB FE. Aquí componente de esfuerzo ejemplar del modelo de FE fue a lo largo de la dirección de las olas de carga. Entonces el comportamiento tridimensional del modelo FE espécimen fue calibrado mediante la realización de simulaciones de manera iterativa FE y el ajuste de las constantes de ISV de modo que el volumen promediada dirección de carga de estrés se correlacionó bien con el experimental verdadera respuesta de tensión-deformación. Por lo tanto, se llevó a cabo un proceso de optimización iterativo entre los datos experimentales, los resultados de FE y unidimensional modelo de material ISV. La tabla 1 muestra un resumen de las variables del modelo de material ISV (MSU TP Ver. 1.1) 11. El elemento más importante de esta metodología es la obtención de la respuesta mecánica unidimensional del biomaterial y sus parámetros de los materialespara el modelo material de ISV, lo que evita los problemas de pruebas SHPB de la falta de uniformidad en estado de estrés. También separa la respuesta no lineal inicial de la biomaterial que surge de los efectos inerciales y hace que una respuesta mecánica que es intrínseca al material. La metodología acoplado también mostró que un cambio en la geometría de la muestra cambia por completo el problema de valor límite (BVP) y la dirección de carga verdadera tensión-deformación de la muestra. Como tal, la metodología mencionada anteriormente se puede utilizar con cualquier modelo de material (fenomenológica o basados ​​en microestructural) para la calibración y luego la simulación de comportamientos de alta velocidad de deformación de órganos humanos bajo cargas mecánicas perjudiciales.

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

un elemento de modelado metodología junto experimento-finito para la evaluación de alta strain tasa de respuesta mecánica de biomateriales soft

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

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.

<html> 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....

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.

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

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

El objetivo general de este procedimiento es obtener la respuesta de tensión-deformación verdadera bajo alta velocidad de deformación uniaxial de los biomateriales blandos que se están probando. Esto se logra primero probando una muestra de cerebro en un dispositivo de barra de presión de Hopkinson dividida o aparato SHPB, y luego calibrando la versión unidimensional del modelo del material con la respuesta experimental de tensión-deformación verdadera. A continuación, se realiza la simulación por elementos finitos o simulación EF del montaje SHPB para evaluar la dirección promedio de carga de la muestra, el esfuerzo y el esfuerzo en la línea central.El paso final consiste en comparar de forma iterativa el ajuste del modelo de material unidimensional y el esfuerzo en la línea central de la simulación por elementos finitos (EF), así como la dirección de carga en tres dimensiones, el esfuerzo y la respuesta experimental de deformación verdadera frente a esfuerzo verdadero, hasta obtener un buen acuerdo entre los resultados mencionados. En última instancia, se utiliza la metodología acoplada de elementos finitos y experimentación para demostrar que la respuesta de deformación verdader

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Prueba Microtracción ambientalmente controlado mecánicamente de adaptación nanocompuestos poliméricos para<em&gt; Ex vivo</em&gt; Caracterización

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