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

L'objectif général de cette procédure est d'obtenir la réponse en contrainte-déformation vraie uniaxiale à haute vitesse de déformation des biomatériaux mous testés. Cela est réalisé en testant d'abord un échantillon de cerveau à l'aide d'un appareil à barres de Hopkinson divisées, ou SHPB, puis en étalonnant la version unidimensionnelle du modèle de matériau à l'aide de la réponse expérimentale en contrainte-déformation vraie. Une simulation par éléments finis, ou FE, du dispositif SHPB est ensuite effectuée afin d'évaluer la contrainte moyenne dans la direction de chargement de l'échantillon et la contrainte le long de la ligne médiane.

La dernière étape consiste à comparer de manière itérative l'ajustement du modèle de matériau unidimensionnel et la contrainte selon la ligne centrale de la simulation EF, ainsi que la direction de chargement en éléments finis tridimensionnels, la contrainte et la réponse expérimentale contrainte-déformation vraie, jusqu'à ce qu'un bon accord entre les résultats susmentionnés soit obtenu. En définitive, la méthodologie couplée expérimentale et par éléments finis est utilisée pour démontrer que la réponse contrainte-déformation vraie uniaxiale des biomatériaux mous peut être obtenue à l'aide d'un dispositif de Hopkinson à pression raccourcie (SHPB). Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, telles que les essais en tube à choc, est qu'elle permet d'obtenir la réponse mécanique uniaxiale à haute vitesse de déformation d'un biomatériau mou.

Les implications de cette technique s'étendent à l'élaboration du diagnostic des traumatismes crâniens par la modélisation virtuelle du corps humain. En effet, les données obtenues grâce à la méthode actuelle permettent de capturer précisément les lésions locales et les dommages résultant d'un traumatisme à la tête humaine. L'idée de cette méthode nous est venue lors de travaux visant à corréler les données expérimentales sur les taux de déformation élevés dans le cerveau avec les résultats issus de la thyroïde et de la modélisation. Cette procédure sera démontrée par le vétérinaire Dr. Jim Cooley, l'étudiant diplômé M. Soro Patnaik et le chercheur associé M. Wilburn Wittington. Sous la supervision d'un vétérinaire, extraire chirurgicalement des organes porcins tels que le cerveau, le foie, le muscle, la graisse ou le tendon.

Ensuite, placez-les dans des récipients remplis de solution saline tamponnée au phosphate ou PBS pour un stockage temporaire. Conservez les récipients contenant la PBS dans une glacière avec de la glace et transportez-les immédiatement vers le laboratoire d'essai pour la préparation des échantillons et les tests de barre d'Hopkinson divisée ou SHPB. Une fois au laboratoire d'essai, retirez l'organe porcin du récipient contenant la PBS et placez-le sur une surface stérile.

Identifier l'orientation principale des fibres et les emplacements pour chaque échantillon test. Ensuite, utiliser un poinçon cylindrique de 30 millimètres de diamètre intérieur pour prélever l'échantillon test à partir de l'organe porcin. Puis, utiliser un gabarit pour découper l'échantillon à l'épaisseur et au rapport d'aspect prescrits pour les essais SHPB sur des échantillons porcins.

L'épaisseur est de 10 à 15 millimètres, tandis que le rapport de forme est de 0,33 à 0,5. Utilisez un pied à coulisse pour mesurer l'épaisseur et le diamètre à trois endroits différents. Placez une barre d'impact, une barre incidente et une barre transmise dans les extensions métalliques pour le test SHPV.

Vérifiez que les barres peuvent bouger librement au toucher et que leurs interfaces sont alignées les unes avec les autres. Prévoyez un butoir pour la barre transmise afin d'assurer la sécurité. Connectez les jauges de contrainte et fixez les barres incidente et transmise à l'amplificateur de signal.

Activez les amplificateurs de conditionnement du signal et l'ordinateur du module d'acquisition de données. Ensuite, initialisez le logiciel de capture de données à grande vitesse. Vérifiez la capture en temps réel des signaux pour vous assurer qu'ils se situent dans la plage normale et annulez les signaux parasites en cliquant sur l'icône de mise à zéro.

Placez la barre de frappe à côté de la chambre à pression. Portez la chambre à pression à la pression souhaitée en ouvrant la buse du réservoir d'azote, puis en ouvrant la vanne d'entrée de la chambre à pression. Réinitialisez le débitmètre laser en appuyant sur le bouton de mise à zéro et réglez-le pour mesurer la vitesse de la barre de frappe en positionnant la bande réfléchissante sur la barre de frappe, derrière les capteurs laser.

Placer les chambres de confinement de l'échantillon de sorte qu'elles n'entravent pas le déplacement du barreau incident et du barreau réfléchi. Ensuite, placer le barreau incident en contact avec le barreau transmis à des fins d'étalonnage. Effectuer un essai sans échantillon en activant l'interrupteur de déclenchement pour la chambre à pression sur le barreau Stryker.

Après l'étalonnage, placer un échantillon cylindrique entre la barre incidente et la barre transmise, puis fermer la chambre de confinement de l'échantillon. S'assurer qu'aucun préconditionnement n'est effectué sur l'échantillon en évitant de charger et décharger plusieurs fois l'échantillon, et réaliser l'essai une fois le test terminé. Utiliser des lingettes sanitaires jetables pour éliminer les débris d'échantillon présents sur la barre incidente, la barre transmise et dans la chambre de confinement de l'échantillon.

Jetez tous les déchets et lingettes dans des sacs de sécurité pour déchets biologiques. Désinfectez les barres et la chambre de confinement des échantillons à l’aide d’une solution nettoyante à 70 % d’éthanol et de lingettes sanitaires.

Ouvrez le logiciel MSU à haut débit pour l'analyse des ondes de barre de Hopkins. Lancez le logiciel en examinant la fenêtre des paramètres et en sélectionnant l'option de traction-compression dans l'onglet mode pour les essais uniaxiaux. Sélectionnez également deux jauges dans l'onglet jauges, puis cliquez sur continuer. Dans la fenêtre principale, sélectionnez l'onglet ouvrir fichier un et accédez aux données de l'onde incidente provenant de l'enregistrement de la jauge de contrainte sur la barre incidente ; sélectionnez l'onglet ouvrir fichier deux pour importer l'enregistrement de la jauge de contrainte de la barre transmise.

Ensuite, sélectionnez l'onglet paramètres dans la fenêtre principale et saisissez les paramètres physiques du dispositif d'essai, notamment les dimensions de la barre, les facteurs de tension à déformation, les positions des jauges de déformation et les constantes de dispersion viscoélastique. Cliquez sur continuer. Puis, sélectionnez l'onglet sélectionner les données dans la fenêtre principale et utilisez les barres du curseur pour réduire le jeu de données à la seule quantité de données contenant les ondes incidente, réfléchie et transmise.

Cliquez sur continuer. À ce stade, accédez à l'onglet sélectionner les ondes dans la fenêtre principale et utilisez les barres du curseur pour délimiter l'onde incidente sur le graphique de l'onde incidente, l'onde réfléchie sur le graphique de l'onde réfléchie et l'onde transmise sur le graphique de l'onde transmise. Ensuite, cliquez sur continuer.

Après cela, sélectionnez l'onglet approprié dans la fenêtre principale afin de permettre au logiciel de corriger la dispersion viscoélastique. Sélectionnez ensuite l'onglet de décalage dans la fenêtre principale du graphique d'onde. Utilisez le curseur pour déplacer les ondes incidente, réfléchie et transmise vers la même position initiale dans le temps.

En les sélectionnant individuellement. Dans l'onglet de sélection des ondes, visualisez toutes les ondes présentes dans le graphe des données. Une fois cette étape terminée, cliquez sur continuer dans le fichier des résultats.

Enregistrez les profils de position et de vitesse du chargement en cliquant sur « enregistrer sous » à l'aide d'un logiciel commercial d'éléments finis ou EF. Créez un modèle EF du dispositif SHPB. Exécutez ensuite une simulation EF.

Vérifiez que les mesures de la jauge de contrainte dans l'expérience et la simulation EF sont en bon accord. Intégrez l'échantillon de biomatériau dans le modèle EF du dispositif SHPB. Attribuez au biomatériau une implémentation tridimensionnelle du modèle de matériau à variables d'état internes.

Étalonnez la courbe contrainte-déformation réelle de l'expérience à l'aide de la courbe contrainte-déformation réelle du modèle en ajustant les paramètres des modèles de variables d'état interne du matériau. Ensuite, attribuez les constantes du matériau relatives aux variables d'état interne à l'échantillon de biomatériau dans le modèle EF pour le dispositif SHPB. Puis, exécutez la simulation EF avec la vitesse de la barre de Stryker et la vitesse de déformation de l'échantillon correspondant aux essais SHPB à la même vitesse de déformation.

Dans la deuxième étape de l'étalonnage du modèle EF, exécutez la simulation EF avec les données de jauges de déformation. Logiciel de post-traitement de l'expérience SHPB : logiciel MSU pour taux élevés. Enfin, effectuez une moyenne volumique de la contrainte dans la direction de chargement le long des éléments de la ligne centrale de l'échantillon du modèle EF.

L'efficacité de la méthodologie couplée est illustrée ici. La réponse expérimentale contrainte-déformation SHPV pour le cerveau se situe à un état de contrainte inférieur par rapport à l'état de contrainte du simulateur du point matériel unidimensionnel, ce qui est comparable à la moyenne de l'état de contrainte le long de la ligne centrale de l'échantillon en éléments finis. Ceci est dû à la nature multiaxiale de la déformation.

Les constantes de matériau représentatives indiquées ici pour le BioMAT souple ont été obtenues à l’aide de la méthode couplée d’expérimentation SHPB et de simulation EF. Les jauges de déformation virtuelles issues de l’analyse par éléments finis sont comparées aux jauges de déformation expérimentales, puis simultanément, le simulateur de points de matériau et la moyenne selon l’axe central EF sont comparés afin d’obtenir un bon accord. Ici, les constantes de matériau sont ajustées jusqu’à ce que plus de deux d’entre elles soient en bon accord.

Cette figure montre que la courbe expérimentale de contrainte-déformation vraie obtenue par la méthode SHPB mesure en réalité le premier invariant de contrainte, plutôt que le comportement en contrainte-déformation dans la direction de chargement uniaxial. Par conséquent, l'utilisation des résultats expérimentaux SHPB seuls serait erronée s'ils n'étaient pas associés à une modélisation de type éléments finis (EF) afin d'évaluer le comportement uniaxial. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 12 heures si elle est correctement exécutée.

Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de garder à l'esprit que les expériences comportent des contraintes multiaxiales lors des tests sur des matériaux filaires mous.