ניסוי-סופי יחד אלמנט דוגמנות מתודולוגיה להערכת הזנים שיעור גבוהים מכאנית תגובה של Biomaterials רך

סיכום

המחקר הנוכחי קובע מתודולוגיה סימולציה אלמנט ניסוי-סופי בשילוב להשיג את התגובה המכנית הדינמית uniaxial של ביו-חומרים רכים (מוח, כבד, גיד, שומן, וכו '). תוצאות ניסוי multiaxial שהתעוררו בגלל הדגימה בולטת שהתקבלו מבדיקות בר לחץ הפיצול-הופקינסון שניתנו להתנהגות מתח מתח אמיתית uniaxial כאשר מדומה באמצעות אופטימיזציה איטרטיבי של ניתוח האלמנטים הסופי של החומר הביולוגי.

תקציר

מחקר זה מציע גישת סימולציה אלמנט ניסיוני וסופי משולב (FE) לבחינת ההתנהגות המכנית של ביו-חומרים רכים (לדוגמא מוח, בכבד, בגיד, שומן, וכו ') כאשר הם נחשפים לשיעורי זן גבוהים. מחקר זה נוצל בר לחץ הפיצול-הופקינסון (SHPB) כדי ליצור שיעורי זן של 100-1,500 שניות ^-1. SHPB מועסק בר חלוץ מורכב מחומר viscoelastic (פוליקרבונט). מדגם של החומר הביולוגי הושג זמן קצר נתיחה שלאחר מוות ומוכן לבדיקת SHPB. הדגימה התערבה בין האירוע וברים מועבר, והרכיבים פנאומטיים של SHPB הופעלו לנהוג בר החלוץ לכיוון הבר האירוע. ההשפעה וכתוצאה מכך נוצרה גל דחיסה לחץ (כלומר גל אירוע) שנסע דרך הבר האירוע. כאשר גל לחץ הדחיסה הגיע לסוף שורת האירוע, חלק המשיך קדימה במדגם ומועבר בר (iכלומר. גל משודר) ואילו חלק אחר התהפך בבר האירוע כגל מתיחה (כלומר משתקפים גל). גלים אלה נמדדו באמצעות מדי עיבור רכוב על האירוע וברים מועבר. מתח מתח ההתנהגות האמיתית של המדגם נקבעה ממשוואות המבוססות על התפשטות גל ושיווי משקל כוח דינמי. תגובת מתח מתח הניסיונית הייתה שלושה ממדים בטבע כי הדגימה בלטו. ככזה, המתח ההידרוסטטי (ראשון משתנה) שימש כדי ליצור את תגובת מתח מתח. כדי לחלץ את תגובת uniaxial (חד ממדית) המכנית של הרקמה, אופטימיזציה בשילוב איטרטיבי בוצעה באמצעות תוצאות ניסויים ואנליזת אלמנטים סופיים (FEA), שהכיל חומר מודל משתנה (ISV) פנימי מדינה משמש לרקמות. מודל חומר ISV השתמש בסימולציות FE של הגדרת הניסוי היה מכויל iteratively (מותאם כלומר) לtha כגון נתוני ניסוילא הניסוי וערכי מד מתח FEA ובלתי משתנה הראשונה של לחצים היו בהסכם טוב.

מבוא

מוטיבציה

המטרה העיקרית של הפיצול בשילוב - בר לחץ הופקינסון הניסוי (SHPB) / דוגמנות אלמנטים סופית של ביו-חומרים רכים (כגון מוח, כבד, גיד, שומן, וכו ') הייתה לחלץ ההתנהגויות מכאני uniaxial ליישום נוסף בגוף אדם FE סימולציות תחת עומסים מכאניים פוגעניים. האלמנטים סופיים מודל גוף האדם (FE) מורכב מרשת מפורטת אנושית גוף ומודל היסטוריה תלוי Multiscale viscoelastic-viscoplastic הפנימי מדינת חומר משתנה (ISV) לאיברים אנושיים שונים. מודל גוף אדם זה יכול לשמש למסגרת לבנות סטנדרטים טובים יותר להגנת פציעה, לעצב ציוד מגן חדשני, ולאפשר לעיצוב כלי רכב ממוקד דייר.

שני מצבים של פציעת שיעור גבוהה נצפו באופן נרחב בטראומה אנושית: פיצוץ נפץ והשפעה בוטה. נזק פיצוץ מכלי נשק נפיץ הוא המקור העיקרי של טראומטיפציעת ג (TI) והגורם המוביל למוות בשדה הקרב ^1. כאשר התפוצץ, חומרי הנפץ אלה יוצרים גל הלם חיצוני הפצת שמייצר תאוצות ועיוותים גדולות ופתאומיות. עומסים וכתוצאה מכך להוות איום רציני לאלו שנחשפו. למרות שכל חלק של האנטומיה יכול להיפגע על ידי גלי הלם, אזורי ראש דאגתם (1) הגפיים התחתונים בשל קרבתו הקרובה לאדמה, ו- (2) הראש מאז פציעות יכולים לעכב תפקוד תקין של המוח והישרדות ^{2 , 3.} יכולות להיות מסווגות כפגיעות אלה פציעות ראשוניות, שניוניות, שלישוני או בהתאם לסוג של ניזק שנגרם. בגלל הכוח של חומר נפץ מאופיין במשקלה או גודל, מרחק תיקו, משך דופק חיובי, ומדיום שדרכו הוא עובר, זה יכול להיות קשה לסווג כראוי פציעות אלה ^3-6. דיווחים מצביעים על כך שקונגרס אנשי צבא סבלו כמעט 179,000 פציעות טראומטיות עקב חבלהקריסות נשק וכלי רכב בעיראק ובאפגניסטן, משנת 2000 עד מרץ 2010 ^2. בשל האופי ומיקומם של הלחימה מודרנית, פגיעות ראש הם דאגה מובילה לשניהם הצבאי ואזרחים ^3.

מלבד תרחישי לחימה, יש TI מגוון של סיבות, כולל טראומת רכב; רודיאו, אופנוע ותאונות ביתיות; ופציעות ספורט. פגיעה מוחית טראומטית לדוגמא, למרות שיפורים לציוד בטיחות ופרוטוקולים, הנגרמת באופן מכאני (TBI) ממשיכה להיות מקור מוביל לתמותה ותחלואה לכל החיים במרכז ארה"ב לבקרת מחלות ומניעתן (CDC) מדווח אירועים כ -1.4 מיליון TBI כל שנה, מתוכם כמעט 50,000 הם קטלניים. פוטבול אמריקאי חשבונות לבד ליותר מ -300,000 TBIs כל שנה ^7. ניצולי פציעות כאלה הם בסיכון לסיבוכים נוירולוגיים ארוך טווח הקשורים לתחושה, קוגניציה, ותקשורת. בשלב זה יש כ5.3 מיליון אמריקאים חיים עם חסרונות כרוניים אלה ומוגבלויות. עלויות רפואיות ישירה ועקיפות בארה"ב 2000-2010 הסתכמו 60000000000 $ ^8. עם זאת, מספרים אלה אינם מהווים עלויות שאינן רפואיות והפסדים, או אלה שנגרמו למשפחות והחברים התומכים חולי TBI. מעבר גרידא ניתוח כלכלי, נכות הנגרמת TBI יוצרת הפחתה משמעותית באיכות החיים שיכולים להתבטא כנטל משמעותי על משפחות ולחברה.

הצורך בהבנה נוספת של ההיווצרות, אפיון, והמניעה של TI הוא ברור. מחקרים ביו-מכאניים של המנגנונים הגורמים לTI לספק תובנה והזדמנות לצמצום חשיפה או לשפר את תכונות בטיחות עבור אלה בסיכון פוטנציאלי לTI. יתר על כן, יותר קידום ההבנה הכללית של היווצרות TI עשוי לשפר את השיטות וקריטריונים לאבחון, מתן אנשי מקצוע רפואי המטפלים TI עם אמצעים טובים יותר של תוצאות שיפורים והצלת חיים.

ידע טוב יותר של מנגנוני פציעה והבנה טובה יותר של ביומכניקה של פיתוח פציעה יש צורך לפתח אמצעי הגנה יעיל לגוף האדם. מבחינה הסטורית, סימולציות שמטרתן פציעות ניבוי כבר הקשו על ידי מגבלות חישובית כמו גם הנאמנות של אנטומיים ודגמי חומר מועסקים. סימולציות גוף מלאה התמקדו בעומסים הכוללים על כל חלק בגוף, אבל את הלחץ, מתח, והנזק המקומיים בכל איבר, שריר, עצם, וכו 'לא נצפו. לדוגמא, מודלים רגע הכתף להשתמש בממדים של הזרוע, העומס, ואת הזווית להחיל לחפש ערכים טבלאיים שציינו אם או לא תרחיש מסוים הוא מסוכן. חישוב שהטבע הוא מועיל להערכות מהירות אבל לא יכול ללכוד את מה שקורה באופן מקומי מהיד כל הדרך לכתף, במיוחד כאשר נזק ופגיעה הם במהותו מקומיים. שנית, FE שלimulations שימש כדי ללכוד את התגובה המקומית. ההגבלה במאמצים אלה לא הייתה FEA עצמו, אבל דגמי חומר המגדירים את ההתנהגות של כל חלק בגוף תחת עומסי פציעת פיצוץ. דגמי חומר שעבר הועסקו מותאמים מחומרים פשוטים ולא השתדלו ללכוד את מספר עצום של התנהגויות מכאניות מורכבות הוצגו על ידי רקמות ביולוגיות. לכן, מודלים חישוביים באיכות גבוהה עם דגמי חומר ISV לאיברים בגוף האדם מייצגים את הדרך המציאותית ביותר לחקור את הפיזיקה וביומכניקה של TIS, לעצב ציוד מגן חדשני, ולקבוע סטנדרטים טובים יותר למדדי פציעה.

רקע על בר הפיצול-הופקינסון לחץ (SHPB) ומשתנה פנימי מדינת דגם חומר (ISV)

בשל בעיות אתיות כרוכות בבדיקת vivo של איברים אנושיים ובעיות הלוגיסטיות הקשורים בבדיקות מגופות אנושיות רחב היקף, currמאמץ מחקר אף אוזן גרון כרוך ניסויים מכאניים במבחנה באמצעות דגימות שהוכנו מאיברים שחולצו מתחליפי בעלי חיים (למשל, חזיר כתחליף הנפוץ ביותר בשימוש). פולימרי SHPB הייתה השיטה המועדפת למבחנה בביו-חומרים-רכים בדיקה בשיעורי זן גבוהים. התנהגויות deformational הרלוונטיות מבדיקת SHPB ומידע הקשורים לניזק לרקמות מקבילה מתכונות microstructural של הרקמה משולבות דגמי חומר ISV שלנו לתיאור איבר מכאני ^9-10. אז דגמי חומר אלה מיושמים במודל גוף אדם הווירטואלי שלנו לנהל FEA של פציעות שונות. תהליך זה מאפשר לנו לנוע לעבר המטרה של ניבוי המדויק של הפיזיקה ואופי פציעה לאיבר נתון בתנאי העמסה מכאניים מגוונים (הנגרמת פיצוץ למשל תאונה דרכים, והשפעה בוטה) ללא הצורך בניסויים פיזיים נוספים. כדי לתאר במדויק לאהוא הפנומנולוגית תכונות מכאניות, במיוחד תלות מתח-שיעור ברמה גבוהה יותר, של ביו-חומרים המשמשים בסימולציות FE של גוף האדם, ניסויי SHPB בוצעו על ביו-חומרים כדי להשיג תגובות מכאניות דינמיות בשיעורי זן הנוגעים לTIs האנושי. סקירה של התקנת SHPB במרכז למערכות כלי רכב מתקדם (הקאבס), אוניברסיטת מיסיסיפי מדינה (MSU) מוצגת באיור 1.

מחקרים קודמים הראו כי יש בדיקות SHPB שלושה פגמים עיקריים הקשורים אליו ^12-18. אחד הראשון והמשמעותי ביותר הוא השפעת האינרציה חומר, המופיעה בתגובה המכנית שיעור מתח הגבוה של דגימה ביולוגי כספייק ראשוני. על מנת להתגבר על בעיה זו, מאמצי מחקר קודמים הציעו שינוי הגיאומטריה של הדגימה מגלילית בצורה לcuboidal או טבעתי בצורה. ההתנהגויות מכאניות כתוצאה ממחקרים כאלה היו שונות לכאן ולכאןמ 'כל אחד אחר, כי הגיאומטריה של הדגימה מושפעת התפשטות הגל, אינטראקציות גל, ותגובה המכנית. סוג זה של שינוי לגיאומטרית הדגימה הוביל לייצוגים שגויים של התגובה המכנית (מדינת מתח multiaxial ולא אחידה) של החומר הביולוגי. הפגם העיקרי השני היה חוסר היכולת לשמור על שיווי משקל כוח דינמי במהלך בדיקה. חוקרים התגברו על בעיה זו על ידי צמצום מדגם יחס עובי לקוטר ו / או הקפאת הרקמה לפני הבדיקה. תוך צמצום מדגם יחס עובי לקוטר התייחס לנושא של שיווי משקל כוח דינמי, הקפאת הרקמות נוספות מסובכות הליך הבדיקה כפי שהוא שינה את תכונות חומר בשל התגבשות של מים הנוכחיים ברקמה. מספר מחקרים נטושים לחלוטין SHPB להימנע הוזכר לעיל פגמים ומשמשים צינורות הלם כדי לקבל את תגובת לחץ-זמן במודלים שונים של בעלי חיים (חולדות, חזירים, וכו '). עם זאת, אלהמודלים imal לא נותנים התנהגויות uniaxial חד-ממדי מתח מתח דרושה לדגמי חומר המשמשים בסימולציות FE. הפגם השלישי היה כישלון SHPB לתת תוצאות מתח מתח חד ממדיות בגלל הדגימה מתגלגלת בשל רכות החומר וכמות תוכן מים בדגימה.

לפיכך, SHPB מציג מנגנון בדיקת קיימא לגייס נתוני שיעור גבוה מתח. לחומרים רכים, לעומת זאת, SHPB גורם בולט שמייצרת מדינת מתח תלת-ממדית בעיקר מלחץ ההידרוסטטי, עדיין נתונים מתח מתח חד ממדי הוא רצוי. אנחנו מראים כאן איך אפשר עדיין להשתמש בSHPB לגייס את עקומת מתח מתח האמיתי uniaxial חד-ממדית לכיול מודל חומר; עם זאת, התהליך הכרוך בהשגת עקומת מתח מתח האמיתית uniaxial מסובך. תהליך זה כולל גם את נתוני ניסוי רב-צירי ותוצאות הסימולציה FE, וזה דורש כיול חוזר ונשנה שלקבועי מודל חומר. היישום חד-ממדי של דגם ISV חומר בMATLAB, הידוע גם בסימולטור נקודת חומר, דורש נתוני ניסוי חד-ממדיים לכיול. אז, מודל חומר ISV היה מותאם באמצעות תהליך כיול שיטתי. כאן, נתוני ניסוי מבדיקות SHPB נחשבו בהקשר של ניסוח תיאורית הגל ושיווי משקל דינמי כוח (MSU תוכנת שיעור הגבוה). כדי להסביר את פיזור viscoelastic של SHPB פולימרים, משוואות פיזור viscoelastic, כפי שדווח על ידי זאו et al. (2007), יושמו בMSU גבוה תוכנת דרג. משוואות פיזור viscoelastic עזרו בהבטחת שיווי משקל כוח דינמי בזמן הבדיקה. סימולטור נקודת חומר חד-ממדי היה מותאם אז בהקשר של בני זוג מתודולוגיה דוגמנות הניסוי-FE עד שני התהליכים נחשבו כראוי תואם, כלומר, נתונים משניהם היו בהסכם טוב. נתונים אלה היומשמש כדי להתאים את קבועי חומר מודל ISV על ידי השוואת התגובה של סימולטור תגובת חומר MATLAB (חד ממדית) מכאנית ו( חד ממדית) הדגימה מתח האמצע של מודל SHPB FE. הנה מרכיב לחץ דגימה של מודל FE היה לאורך כיוון טעינת גל. אז ההתנהגות תלת-ממדית של דגימת מודל FE כויל על ידי iteratively ביצוע סימולציות FE והתאמה קבוע ISV כך שמתח טעינת כיוון-בממוצע הנפח המתואם היטב עם תגובת מתח מתח האמיתית הניסיונית. לפיכך, תהליך של אופטימיזציה איטרטיבי בין נתוני ניסוי, תוצאות FE, ומודל חומר ISV חד-ממדי נערך. טבלת 1 נותנת סיכום של המשתנים של מודל חומר ISV (MSU TP Ver. 1.1) ^11.

המרכיב החשוב ביותר למתודולוגיה זו הוא קבלת התגובה חד-ממדית המכנית של החומר הביולוגי והפרמטרים שלו חומרלמודל חומר ISV, שעוקף את נושאי בדיקות SHPB של אי-אחידות מתח המדינה. זה גם מפריד את התגובה קוי הראשונית של החומר הביולוגי הנובע מהשפעות אינרציה והופך תגובה מכאנית שהוא מהותי לחומר. המתודולוגיה בשילוב גם הראתה כי שינוי בגיאומטריה הדגימה משתנה לחלוטין גבול ערך הבעיה (BVP) ומתח המתח האמיתי כיוון טעינה של הדגימה. ככזה, המתודולוגיה שהוזכר לעיל ניתן להשתמש בכל מודל חומר (הפנומנולוגית או מבוסס microstructural) לכיול ולאחר מכן לדמות התנהגויות שיעור מתח גבוה של איברים אנושיים תחת עומסים מכאניים פוגעניים.

פרוטוקול

הצהרת אתיקה:: הערה העבודה הנוכחית היא ייחודית למדיניות המחקר של המוסד, ובהחלט עוקבת ביו-הבטיחות והמשרד המתאימים של תאימות לתקנות הנחיות (ORC).

רכש 1. ביולוגי דגימה

1. ללבוש ציוד מגן אישי בהתאם לפרוטוקולי בטיחות ביולוגית סטנדרטיים של המעבדה ו / או מוסד. ללבוש נעליים צבאיות סגורות, מכנסיים ארוכים, חלוק מעבדה, כפפות מנתחים, מסכת מגן, ומשקפי בטיחות בעת טיפול רקמות ובדיקות חזיריות.
2. להשיג רקמה חזירית (ראש, בטן, או רגל אחורית) של חזירים בריאים מבית שחיטה מקומית בנתיחה שלאחר המוות 1-2 שעות.
3. אחסן רקמות חזיריות בשקיות בטיחות Biohazard והנח אותם במכל קר (~ 5.56-7.22 מעלות צלזיוס).
   הערה: השתמש במד חום כדי לבדוק שהטמפרטורה בדגימה חזירית לא לרדת מתחת 7.22 מעלות צלזיוס.
4. להעביר רקמות חזיריות למעבדה הקרובה ביותר(במכללה לרפואת וטרינרית באוניברסיטת מיסיסיפי סטייט) לנתיחה.
5. תחת פיקוחו של וטרינר במכללה לרפואת וטרינרית, בניתוח לחלץ איברים חזירי (מוח, כבד, שריר, שומן, או גיד) ולמקם אותם במיכלים מלאים מלוח פוספט (PBS) לאחסון זמני (pH 7.4).
6. אחסן את מיכל PBS בצידנית עם קרח (~ 5.56-7.22 מעלות צלזיוס) ומייד להעביר אותם למתקן הבדיקה להכנת מדגם ובדיקות SHPB.

2. הכנת דוגמאות ביולוגי

1. הסר את האיבר חזירי מיכל PBS ומניח אותו על משטח סטרילי.
2. הערה: זהה את הכיוון העיקרי של סיבים ומקומות עבור כל מדגם בדיקה. השתמש גלילי למות בקוטר פנימי 30 מ"מ לנתח את מדגם הבדיקה מהאיבר חזירי.
3. אם מדגם הבדיקה תקוע בתוך הקובייה הגלילית, להזריק PBS דרך הקצה השני של הנתיחהכלי כדי לאפשר מדגם הבדיקה להחליק החוצה בשלמותה. מניחים את מדגם הבדיקה שחולץ על אזור נפרד של פני השטח סטרילי.
4. השתמש באזמל כדי לחתוך את המדגם ליחס עובי והיבט שנקבע.
   הערה: לבדיקות של דגימות SHPB חזיריות, העובי הוא 10-15 מ"מ ואילו היחס הגובה-הרוחב (עובי / קוטר) הוא .33-.50 (איור 2).
5. השתמש מחוגה כדי למדוד את העובי וקוטר בשלושה מקומות שונים.
6. אחסן את כל דגימות הבדיקה בPBS הטרי עד שמכשיר SHPB הוא מוכן לבדיקה.
   הערה: ודא שדגימות נבדקות בתוך 4 שעות לאחר טבח.
7. בטל דגימות שאינן גליליים עקב חתך שגיאות או שינויים בחתך. הנח דגימות מושלכות בשקיות בטיחות הביולוגית מסוכנת. חזור על שלבים 2.2-2.6 להשיג דגימות בדיקה נוספות.

בדיקת לחץ בר 3. פיצול-הופקינסון

1. מניחים את בר החלוץ, בר אירוע, ובר המועבר במ 'עמודי etal לבדיקת SHPB.
   הערה: ודא שברים נעים חופשיים למגע ושהממשקים שלהם מיושרים אחד עם השני. לספק פקק לבר מועבר לבטיחות.
2. חבר את מדי העיבור דבקו אירוע ומועבר ברים למגבר האות. הפעל את מגברי אוויר האות ומחשב מודול DAQ.
3. לאתחל את תוכנת לכידת נתונים במהירות הגבוהה.
4. ודא לכידת החיות של האותות כדי לראות אם הם נמצאים בתוך הטווח הנורמלי, ולבטל את אותות רעש על ידי לחיצה על הסמל אפס.
5. קלט רמת ההדק וקצב נתונים (2 MHz).
6. לאתחל את התוכנה כדי להקליט פעם אחת ברמת ההדק הושגה.
7. טען את סרגל החלוץ סמוך לתא הלחץ. למלא את תא לחץ ללחץ רצוי.
   הערה: טווח הלחץ הטיפוסי הוא 5-25 psi.
8. לאפס את מד מהירות לייזר על ידי לחיצה על הכפתור אפס ולהגדיר אותו כדי לקרוא את התואר הראשון החלוץr מהירות על ידי קביעת רצועת רפלקטור על הבר החלוץ מאחורי חיישני הלייזר.
9. מניחים את חדר ריתוק המדגם כזה שזה לא לעכב את התנועה של אירוע ובר באו לידי ביטוי. מניחים את בר האירוע במגע עם בר מועבר.
10. למטרות כיול, להפעיל מבחן (ללא מדגם) על ידי הפעלת מתג הדק לתא הלחץ בסרגל החלוץ.
11. ברגע שהנתונים שנרכשו במחשב, לשמור ולנתח את נתוני מתח SHPB מד (שנדון בסעיף הבא) כדי להבטיח שהליך הבדיקה מתפקד כראוי.
12. מניחים את המדגם הגלילי בין האירוע ובר משודרים ולאחר מכן סגור את תא כליאת מדגם.
    הערה: ודא שאין מראש אוויר מתבצע על המדגם.
13. לבצע משימות 3.4-3.7 עם המדגם ממוקם בין האירוע ובר מועבר.
    הערה: ודא שאמצע המדגם זהה לאמצע הבר. לפני proceeding, גם לבדוק שהמדגם הוא לא דחוס, אבל נשאר באותו הגיאומטריה כחולץ בעבר.
14. לאחר הבדיקה הושלמה, השתמש סניטרי חד פעמי מגבונים להסרת מדגם פסולת מהבר האירוע, בר מועבר, ומדגם קאמרי כליאה. השלך את כל הפסולת ומנגב בשקיות בטיחות ביולוגיות מסוכנות.
15. לטהר את תא ברים וכליאת מדגם באמצעות פתרון ניקוי אתנול 70% ומגבונים סניטריים.

לאחר עיבוד 4. SHPB נתונים

1. פתח את "תוכנת ¹⁹ דרג הגבוה MSU" לניתוח של גלי הופקינסון בר.
2. בגין התוכנה על ידי בחינת חלון הגדרות ובחירה "מתח / דחיסה" האפשרות בלשונית המצב לבדיקת uniaxial. כמו כן, בחר "2 גאייג'ס" בגאייג'ס Tab ולחץ על "המשך".
3. בחלון הראשי, בחר בכרטיסיית קובץ 1 להרחיב, ולנווט לנתונים גל אירוע משיא מד לחץ על incideבר NT. בחר את קובץ 2 Tab הפתוח ליבוא שיא מד מתח בר מועבר.
4. בחר בכרטיסיית הפרמטרים בחלון הראשי וקלט הפרמטרים הפיזיים של התקנת הבדיקה כולל: ממדי בר, ​​מתח להתאמץ גורמים, עמדות מד מתח, וקבועים פיזור viscoelastic. לחץ על "המשך".
5. לאחר מכן בחרו בכרטיסיית נתונים בחרו בחלון הראשי ולהשתמש בברי הסמן כדי להפחית את בסיס הנתונים לרק את כמות הנתונים המכילים את התקרית, בא לידי ביטוי, ומועבר גלים. לחץ על "המשך".
6. לאחר מכן בחר בכרטיסיית הגלים בחר בחלון הראשי ולהשתמש בברי הסמן להגביל גל האירוע בתקרית גל הגרף, הגל משתקף בגרף הגל משתקף, והגל המשודר בגרף הגל המשודר. לחץ על "המשך".
7. לאחר מכן, בחר בכרטיסיית תיקון בחלון הראשי כדי לאפשר לתוכנה כדי לתקן את פיזור viscoelastic ^20-21.
8. לאw בחר בכרטיסיית Shift בחלון הראשי. בגרף הגל, להשתמש בסמן כדי לגרור את האירוע, באו לידי ביטוי, ומועבר לגלים באותה העמדה ראשונית בזמן על ידי בחירת כל אחד בנפרד בגל בחר בכרטיסייה. הצג את כל הגלים בגרף נתונים. ברגע שסיים, לחץ על "המשך".
9. בקובץ התוצאות, להציל את העומס, עקירה, עמדה, ומהירות, פרופילים ידי לחיצה על "שמירה בשם".
10. השתמש בשיטות מקובלות בMicrosoft Excel (או כל תוכנת גיליון אלקטרוני אחרת) כדי לחשב את הלחץ נכון ומתח נכון באמצעות ממדי הדגימה נמדדו לפני מבחן הופקינסון בר.

דוגמנות 5. SHPB אלמנטים סופיים

1. שימוש בתוכנה מסחרית אלמנטים סופיים (FE), ליצור מודל FE של התקנת SHPB.
   הערה: השתמש באותו גיאומטריות ותכונות חומר.
2. הקצאת מהירות ראשונית למודל FE של בר החלוץ לאתחל הסימולציה FE.
   הערה: המהירותשל חלוץ בר צריך להתאים לזה שבניסוי SHPB לשיעור זן מסוים ^9.
3. ליצור מודל FE של התקנת SHPB ללא מדגם ממוקם בין האירוע וברים מועבר. הפעל את הסימולציה FE.
   הערה: מהירות בר החלוץ מדומה צריכה להתאים את מהירות בר חלוץ הניסיונית בתנאי "לא-מדגם". הקצאת תכונות חומר נתון בטבלה 1 לברי פולימרים.
4. ודא אם מדידות מד מתח (כתם לעומת זמן) בניסוי וסימולציה FE הן בהסכם טוב.
5. לשלב המדגם ביולוגי למודל FE של התקנת SHPB. הקצה את היישום תלת-ממדי (בפורמט קובץ vumat ²²⁾ של מודל חומר ISV למדגם ביולוגי ^11.
6. לבצע מחקר עידון רשת באמצעות שלושה גדלי רשת שונים ולאחר מכן לנתח את התוצאות כדי לקבוע אם הפתרונות להתכנס.
   הערה: הרשתגודל מתאים למספר הכולל של משושה ו / או אלמנטי tetrahedral המרכיב את מודל FE. בחר את דגם FE עם גודל הרשת הנמוך ביותר שמתכנס לאחר סימולציות נוספות ^9.
7. לנהל את כיול מודל שני שלבי FE. בשלב הראשון, להעלות את נתוני ניסוי לחד-ממדי ליישם מודל חומר ISV.
8. כייל את עקומת מתח-כתם האמיתית של הניסוי עם עקומת מתח מתח האמיתית של המודל על ידי התאמת הפרמטרים של מודל חומר ISV (ראה טבלה 1).
   הערה: חזרות נוספות יש צורך כי נתוני SHPB הניסיוניים הוא תלת-ממדיים בטבע ואילו מודל החומר הוא חד-ממדי.
9. הקצאה קבוע חומר ISV למדגם ביולוגי במודל FE של התקנת SHPB.
10. הפעל את הסימולציה FE עם מהירות בר חלוץ ושיעור מתח עיוות מדגם מתאים לבדיקות SHPB באותו שיעור המתח.
11. Compaמחדש מדידות מד מתח מניסוי וסימולציה FE להסכם טוב (מתח לעומת זמן).
    הערה: אם יש הסכם טוב בין סימולציות FE וערכי מד מתח ניסוי, להמשיך לשלב השני של תהליך כיול מודל. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.11.
12. בשלב השני של כיול מודל FE, להפעיל את SHPB נתוני מד מתח הסימולציה FE להתנסות בתוכנה שלאחר עיבוד, תוכנת MSU שיעור הגבוה ^19-21.
    הערה: אם תגובת מתח מתח האמיתית מדומה משווה לתגובת מתח מתח האמיתית הניסיונית, אז כיול מודל שני שלבי FE הושלם. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.12.
13. בצע ממוצע נפח של כיוון הטעינה (Σ ₃₃₎ מתח לאורך אלמנטי האמצע של מדגם FE המודל.
    הערה: אם הלחץ הזה הוא בהסכם טוב עם עקומת מתח מתח של תוצאת מודל חומר חד-ממדי ISV, אז התוצאות שהושגו באמצעות משימות 5.7-5.12 מכוילים באופן מלא. אם לא, לחזור על משימות 5.7-5.13. תגובת מתח מתח האמיתית שנתפסו באמצעות היישום חד-ממדי של מודל חומר ISV מייצגת את תגובת מתח מתח האמיתית uniaxial של חומר ביולוגי שנבדק בהתקנת SHPB.

תוצאות

היעילות של המתודולוגיה בשילוב מודגמת באיור 3. הנה תגובת מתח מתח הניסיונית SHPB למוח היא במצב מתח נמוך (עם מתח שיא של 0.32 MPA) בהשוואה למצב הלחץ של החומר חד-ממדי סימולטור נקודה (עם ערך שיא של 0.74 MPA), שהוא דומה לקו מרכז מדגם FE הממוצע (אלמנט). זאת בשל האופי של עיוות שתערוכת ביו-חומרים רכים. בגלל שיעורי הזן הם גבוהים, ומהירות הגל ועוצמתו של החומר הביולוגי היא נמוכה, התפשטות גל האינרציה ומתח בעיוות לא אחידה ביקוש חומר. תופעה זו היא הגדול ביותר בקצות המדגם ולפחות ב...

דיון

המתודולוגיה דיווחה כי זוגות ניסוי SHPB ודוגמנות FE של SHPB מציעים רומן וטכניקה ייחודית כדי להעריך את תגובת uniaxial האמיתית מתח מתח של חומר ביולוגי בשיעורי זן גבוהים. כדי להשיג תכונות מכאניות פנימיות לרקמת הילידים, יש להקפיד לשמור את הדגימה ביולוגי בין 5.56-7.22 מעלות צלזיוס לפני בדיקת SHPB. אם הדגימה היא מקוררת מתחת 5.56 מעלות צלזיוס, מים הנוכחיים ברקמה מתחיל להתגבש לקרח ולאחר מכן משנה את התכונות מכאניות של הרקמות. בעוד חוקרים אחרים ^15-18 קפאו המדגם למטרות שימור משפלה ...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
התאמת צינור הברגה מנירוסטה 316 בלחץ גבוה, 1/2 זכר x 1/4 גודל צינור נקבה, תותב הפחתת משושה	McMaster-Carr		2
Type 316 התאמת צנרת הברגה מנירוסטה, 3/4 זכר x 1/4 נקבה, תותב הפחתת משושה 150  psi	McMaster-Carr		2
שסתום כדור מסוג 316SS קל לתחזוקה, עם 316 קצוות נירוסטה, 1/2 אינץ' NPT נקבה	McMaster-Carr		2
שסתום כדור מסוג 316SS קל לתחזוקה, עם 316 קצוות נירוסטה, 3/4 אינץ' NPT נקבה	McMaster-Carr		2
שסתום בטיחות פופ נירוסטה קוד ASME, 1/4 זכר NPT, 300  psi	McMaster-Carr		2
התאמת צנרת מדויקת בלחץ קיצוני 316SS, גודל צינור 1/2 x 1/2, אורך 1-7/8 אינץ', פטמת	משושה McMaster-Carr		8
סוג 316 התאמת צנרת הברגה מנירוסטה, 1/2 גודל צינור, טי, 150  psi	McMaster-Carr		2
מד בדיקה עם נרתיק בטיחות, מארז פוליאסטר, סטנדרטי, יבש, 600  psi	McMaster-Carr		2
מד דיגיטלי, מארז פלסטיק, חוגה בגודל 2-1/2 אינץ', חיבור 1/4 תחתון, 300  psi	McMaster-Carr		2
סוג 316 נירוסטה 37 מעלות התאמת צינור מתרחב, מתאם לצינור 1/4 אינץ' OD x 1/8 אינץ' צינור זכר	NPT McMaster-Carr		12
303 נירוסטה 37 מעלות JIC מסתובב הולם עבור 3/16 אינץ' ID	McMaster-Carr		12
צינור כימי בלחץ גבוה, 3/16 אינץ' ID, 0.312 אינץ' OD, 3,000 psi	McMaster-Carr		6
ווסת גז בעל טוהר גבוה חד-שלבי, חנקן, 0-125 psi, CGA #580	McMaster-Carr		2
צינור לאביזרי נקבה של גז חנקן, ארגון וחמצן, צינור PTFE, 3 'L, 1/4 אינץ' ID, 3,600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
התאמת צינור הברגה בלחץ קיצוני 316 SS 1/4 x 1/4 גודל צינור, פטמת משושה	McMaster-Carr		4
התאמת צינור הברגה בלחץ קיצוני 316 SS 3/4 x 3/4 גודל צינור, פטמת משושה	McMaster-Carr		2
לחץ קיצוני 316 SS התאמת צינור הברגה 1/4 זכר x 1/8 גודל צינור נקבה, תותב משושה	McMaster-Carr		2
מתאם התאמת צינור דחיסה פליז סטנדרטי עבור 1/4 "צינור OD x 1/4" NPTF צינור זכר	McMaster-Carr
4 Kobalt 1/4 במיני ווסת עם מד	Lowes		2
1/4 אינץ' x 25 רגל צינורות פוליאתילן	Lowes		2
1-1/2 אינץ' קוטר פוליקרבונט (PC) מוט	מקמאסטר-קאר		2
LTV-35 4 כיווני שסתום מיד נוזל דינמיקת	תנועה תעשיות		2
פנאומטי פעולה כפולה מפעיל	Valtronic		2
שסתום כדור נירוסטה 1/2 אינץ'	Valtronic		2
כלי לחץ Buckeye	Buckeye		2
SR-4 לשימוש כללי FAE-25-35SX מדי מתח	מיקרו-מדידה Vishay Precision Group		2
M-M מגבר מיזוג אותות 2310A	מיקרו-מדידה Vishay Precision Group		1
לייזר ROLS-W חיישן אופטי	Monarch Instruments		1