Un élément de méthode de modélisation Experiment-finis Couplé pour évaluer Haute Strain Taux de réponse mécanique des biomatériaux mous

Summary

La présente étude a prescrit une méthode de simulation par éléments finis, couplé expérience pour obtenir la réponse dynamique mécanique uniaxe de biomatériaux mous (cerveau, foie, tendon, la graisse, etc.). Les résultats expérimentaux multiaxiales qui ont surgi en raison de spécimen renflement obtenus à partir de tests de barre de pression Hopkinson ont été rendus à un vrai comportement contrainte-déformation uniaxiale quand simulé grâce à l'optimisation itérative de l'analyse des éléments finis du biomatériau.

Abstract

Cette étude offre un élément expérimental et finie combinée (FE) approche de simulation pour examiner le comportement mécanique des biomatériaux mous (par exemple cerveau, le foie, les tendons, graisses, etc.) lorsqu'ils sont exposés à des taux de déformation élevées. Cette étude a utilisé une pression Bar Hopkinson (SHPB) pour générer des taux de 100-1,500 sec de contrainte ^-1. Le SHPB a utilisé une barre de butée constitué d'un matériau visco-élastique (polycarbonate). Un échantillon du biomatériau a été obtenue peu de temps post-mortem et préparé pour l'essai SHPB. Le spécimen a été interposé entre l'incident et les bars transmissibles et les composants pneumatiques de la SHPB ont été activés à conduire la barre de l'attaquant vers le bar de l'incident. L'impact résultant généré une onde de contrainte de compression (c.-à-onde incidente) qui a voyagé à travers la barre d'incident. Lorsque la compression onde de contrainte atteint la fin de la barre d'incident, une partie continue d'avancer à travers l'échantillon et le bar transmis (i.e. onde émise) tandis qu'une autre partie inversée grâce à la barre de l'incident comme une onde de traction (c.-à-onde réfléchie). Ces ondes ont été mesurées en utilisant des jauges de contrainte montées sur l'incident et barres transmissibles. Le comportement vraie contrainte-déformation de l'échantillon a été déterminée à partir des équations basées sur la propagation des ondes et de l'équilibre de force dynamique. La réponse contrainte-déformation expérimental était en trois dimensions dans la nature car l'échantillon bombé. En tant que tel, la contrainte hydrostatique (premier invariant) a été utilisé pour générer la réponse de contrainte-déformation. Afin d'extraire le uniaxiale (unidimensionnel) réponse mécanique du tissu, une optimisation couplé itérative a été effectuée à l'aide des résultats expérimentaux et Finite Element Analysis (FEA), qui contenait un modèle variable (ISV) de matériau Etat interne utilisé pour le tissu. Le modèle de matériau ISV utilisé dans les simulations FE du dispositif expérimental a été calibré de façon itérative (c. optimisé) aux données expérimentales telles that l'expérience et FEA contrainte valeurs d 'épaisseur et premier invariant des contraintes étaient en bon accord.

Introduction

Motivation

L'objectif cardinal de Split couplé - Hopkinson Pression Bar (SHPB) expérience / modélisation par éléments finis de biomatériaux mous (tels que le cerveau, le foie, les tendons, graisses, etc.) était d'extraire leurs comportements mécaniques uniaxiaux pour poursuite de l'application dans le corps humain FE simulations sous charges mécaniques dommageables. Le éléments finis (EF) modèle de corps humain est constitué d'un maillage du corps humain détaillée et une personne à charge Etat interne modèle variable (ISV) matériau viscoélastique histoire multi-échelle-viscoplastique pour divers organes h....

Protocol

Déclaration de l'éthique: NOTE: Le travail actuel est unique à la politique de recherche de l'institution, et suit strictement la bio-sécurité et Office approprié de la conformité réglementaire (SIO) des lignes directrices.

1. biomatériaux Spécimen achats

1. Porter un équipement de protection individuelle conformément aux protocoles de biosécurité standards du laboratoire et / ou de l'institution. Portez des chaussures fermées à bout, un pantalon long, une blouse, des gants chirurgicaux, un masque de protection et des lunettes de sécurité lors de la manipulation des tissus et des tests porcine.
2. Obtenir tissu ....

Results

L'efficacité de la méthode couplée est illustrée à la figure 3. Ici, le SHPB expérimentale réponse contrainte-déformation pour le cerveau est dans un état ​​de stress inférieur (avec un pic de contrainte de 0,32 MPa) par rapport à l'état de la matière à une dimension de stress point de simulateur (avec une valeur de crête de 0,74 MPa), qui est apparenté à la ligne médiane de l'échantillon FE (élément) de la moyenne. Cela est dû à la nature de la déformation que biomatériaux mous exposition. Parce que le.......

Discussion

La méthodologie rapporté que les couples de l'expérience SHPB et FE modélisation de la SHPB offre un roman et technique unique d'évaluer la véritable réponse contrainte-déformation uniaxiale d'un biomatériau à taux de déformation élevées. Pour se procurer des propriétés mécaniques intrinsèques au tissu natif, des précautions doivent être prises pour maintenir l'échantillon biomatériaux entre 5,56 à 7,22 ° C avant le test SHPB. Si l'échantillon est refroidi au-dessous de 5,56 ° C, l'eau présente d.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
	Raccord de tuyauterie fileté en acier inoxydable 316 haute pression, taille de tuyau 1/2 mâle x 1/4 femelle, douille réductrice hexagonale	McMaster-Carr
Type 316, 3/4 mâle x 1/4 femelle, douille réductrice hexagonale 150  ; psi	McMaster-Carr		2
Vanne à boisseau sphérique 316SS facile d’entretien, avec extrémités en acier inoxydable 316, 1/2 » NPT femelle	McMaster-Carr		2
Vanne à boisseau sphérique 316SS de type facile d’entretien, avec extrémités en acier inoxydable 316, 3/4 » NPT femelle	McMaster-Carr		2
Soupape de sécurité en acier inoxydable code ASME, 1/4 NPT mâle, 300  ; psi	McMaster-Carr	2
316SS raccord de tuyauterie, taille de tuyau 1/2 x 1/2, longueur 1-7/8", mamelon hexagonal	McMaster-Carr		8
type 316 raccord de tuyauterie fileté, taille de tuyau 1/2, té, 150  ; Jauge	McMaster-Carr		2
psi avec étui de sécurité, étui en polyester, standard, sec, 600  ; Jauge	McMaster-Carr		2
, boîtier en plastique, cadran de 2-1/2", connexion inférieure 1/4, 300  ; psi	McMaster-Carr		2
Type 316 Raccord de tube évasé à 37 degrés en acier inoxydable, adaptateur pour tube 1/4 » OD x tuyau mâle NPT	McMaster-Carr		12
303 en acier inoxydable 37 degrés JIC pour 3/16 » ID	McMaster-Carr		12
Tuyau chimique haute pression, 3/16 » ID, 0,312 » OD, 3 000 psi	McMaster-Carr		6
Régulateur de gaz de haute pureté à un étage, azote, 0-125 psi, CGA #580	McMaster-Carr		2
Tuyau pour azote gazeux, argon et oxygène Raccords en laiton fem, tuyau en PTFE, 3' L, 1/4 » ID, 3 600 psi	McMaster-Carr		2
[en-tête]
Extrême pression 316 SS Tuyau fileté 1/4 x 1/4 Taille de tuyau, Mamelon hexagonal	McMaster-Carr		4
Raccord de tuyau fileté extrême pression 316 SS Taille de tuyau 3/4 x 3/4, Mamelon hexagonal	McMaster-Carr		2
Raccord de tuyau fileté extrême pression 316 SS 1/4 mâle x 1/8 taille de tuyau femelle, douille hexagonale	McMaster-Carr		2
Adaptateur de raccord de tube de compression standard en laiton pour tube 1/4 » OD x 1/4 » NPTF Tuyau mâle	McMaster-Carr		4
Kobalt 1/4 po Mini régulateur avec jauge	Lowes
Tube en polyéthylène de 2 1/4 po x 25 pi Tige
polycarbonate (PC) de 2 1/1/2 po de diamètre	Tige McMaster-Carr		2
LTV-35 Vanne à 4 voies Hydromel Dynamique des fluides Motion	Industries		2
Actionneur pneumatique à double action	Valtronic		2
Vanne à boisseau sphérique en acier inoxydable 1/2 po	Valtronic		2
Récipient sous pression Buckeye	Buckeye		2
SR-4 Jauges de contrainte à usage général FAE-25-35SX	Micro-mesure Vishay Precision Group		2
M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A	Micro-Measurement Vishay Precision Group		1
Capteur optique laser ROLS-W	Monarch Instruments		1