A Accoppiato Experiment-finite Element Modeling metodologia per la valutazione alta Strain Rate risposta meccanica di soft Biomateriali

Summary

L'attuale studio prevede una metodologia di simulazione agli elementi finiti esperimento accoppiato per ottenere la monoassiale risposta meccanica dinamica di biomateriali molli (cervello, fegato, tendine, grassi, ecc.) I risultati sperimentali multiassiali sorti a causa del campione sporgenti ottenuti da Split-Hopkinson test di pressione Bar sono stati resi ad un monoassiale vero comportamento sforzo-deformazione quando simulato attraverso l'ottimizzazione iterativa delle analisi agli elementi finiti del biomateriale.

Abstract

Questo studio offre un elemento sperimentale e finiti combinato (FE) approccio di simulazione per l'esame del comportamento meccanico dei biomateriali molli (ad esempio, il cervello, il fegato, tendine, grassi, ecc) in presenza di alti tassi di deformazione. Questo studio ha utilizzato un Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) per generare velocità di deformazione di 100-1,500 sec ^-1. Il SHPB impiegato un bar attaccante costituito da un materiale viscoelastico (policarbonato). Un campione del biomateriale è stato ottenuto in breve post-mortem e preparato per la prova SHPB. Il campione è stato interposto tra l'incidente e bar trasmessi, e componenti pneumatici della SHPB sono stati attivati ​​per guidare la barra attaccante verso il bar incidente. Il conseguente impatto generato un'ondata tensione di compressione (es onda incidente) che ha viaggiato attraverso la barra incidente. Quando l'onda sollecitazione di compressione ha raggiunto la fine della barra incidente, una porzione continuato in avanti attraverso il campione e trasmessa bar (i.e. onda trasmessa) mentre un'altra parte ha invertito attraverso il bar incidente come un'onda di trazione (cioè riflessa a microonde). Queste onde sono stati misurati utilizzando estensimetri montati sul incidente e bar trasmessi. Il vero comportamento sforzo-deformazione del campione è stata determinata dalle equazioni basate sulla propagazione delle onde ed equilibrio forza dinamica. Il sperimentale risposta sforzo-deformazione era tridimensionale in natura perché il campione si gonfiò. Come tale, la sollecitazione idrostatica (prima invariante) è stato utilizzato per generare la risposta allo stress-strain. Per estrarre l'monoassiale (unidimensionale) risposta meccanica del tessuto, una ottimizzazione iterativa accoppiato è stato eseguito utilizzando i risultati sperimentali e analisi degli elementi finiti (FEA), che conteneva un modello variabile (DIV) materiale stato interno utilizzato per il tessuto. Il modello di materiale ISV utilizzato nelle simulazioni FE del setup sperimentale è stato calibrato iterativamente (cioè ottimizzata) ai dati sperimentali, that l'esperimento e FEA valori estensimetri e prima invariante delle tensioni erano in buon accordo.

Introduction

Motivazione

L'obiettivo cardinale della Spalato accoppiato - Hopkinson Pressure Bar (SHPB) esperimento / modellazione agli elementi finiti di biomateriali molli (come il cervello, il fegato, tendine, grasso, ecc) è stato di estrarre i loro comportamenti meccanici monoassiali per l'ulteriore attuazione nel corpo umano FE simulazioni in carichi meccanici dannosi. Il corpo umano Elementi Finiti (FE) il modello è costituito da una maglia corpo umano dettagliato e un dipendente viscoelastica-viscoplastico Stato interno Modello di variabile (ISV) materiale multiscala storia di vari organi umani. Questo modello corpo um....

Protocol

NOTA: Etica Dichiarazione: Il lavoro in corso è unico per la politica di ricerca dell'istituzione, e segue rigorosamente l'appropriato biosicurezza e l'Ufficio della conformità normativa (ORC) le linee guida.

Appalti 1. Biomaterial campioni

1. Indossare dispositivi di protezione individuale in accordo con i protocolli standard di biosicurezza di laboratorio e / o istituzione. Indossare scarpe chiuse a punta, pantaloni lunghi, un camice da laboratorio, guanti chirurgici, una maschera protettiva e occhiali di sicurezza durante la manipolazione del tessuto suino e test.
2. Ottenere tessuto suino (testa, addome, o z....

Results

L'efficacia della metodologia accoppiato è esemplificato in figura 3. Qui la SHPB sperimentale risposta allo stress-strain per il cervello è in uno stato di stress inferiore (con un carico di picco di 0,32 MPa) rispetto allo stato di sollecitazione del materiale unidimensionale simulatore punto (con un valore di picco di 0,74 MPa), che è simile alla linea centrale del campione FE (elemento) media. Ciò è dovuto alla natura della deformazione che biomateriali morbidi mostre. Poiché le velocità di deformaz.......

Discussion

La metodologia ha riferito che le coppie dell'esperimento SHPB e FE modellizzazione del SHPB offre una nuova e unica tecnica per valutare la monoassiale vera risposta sforzo-deformazione di un biomateriale ad alte velocità di deformazione. Al fine di ottenere le proprietà meccaniche intrinseche al tessuto nativo, la cura deve essere presa per mantenere il campione biomateriale tra 5,56-7,22 ° C prima del test SHPB. Se il campione viene raffreddato al di sotto 5,56 ° C, l'acqua presente nel tessuto inizia a crist.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Raccordo per tubi filettato in acciaio inox 316 ad alta pressione, tubo 1/2 maschio x 1/4 femmina, boccola di riduzione esagonale		Raccordo
acciaio inox 316 tipo 316, 3/4 maschio x 1/4 femmina, boccola di riduzione esagonale 150  psi	McMaster-Carr		2
Valvola a sfera tipo 316SS di facile manutenzione, con estremità in acciaio inox 316, 1/2" NPT femmina	McMaster-Carr		2
Valvola a sfera tipo 316SS di facile manutenzione, con estremità in acciaio inox 316, 3/4" NPT femmina	McMaster-Carr		2
ASME-code valvola di sicurezza a scoppio in acciaio inox, 1/4 NPT maschio, 300  psi	McMaster-Carr		2
Raccordo per tubi 316SS per pressioni estreme di precisione, 1/2 x 1/2 dimensione del tubo, lunghezza 1-7/8", nipplo esagonale		in acciaio inossidabile 316 tipo McMaster-Carr
, 1/2 dimensione del tubo, tee, 150  psi	McMaster-Carr		2
Calibro di prova con custodia di sicurezza, custodia in poliestere, standard, asciutto, 600  psi	McMaster-Carr		2
Manometro digitale, custodia in plastica, quadrante 2-1/2", attacco inferiore 1/4, 300  raccordo		McMaster-Carr
tipo 316, adattatore per tubo da 1/4" OD x 1/8" NPT maschio	Raccordo		12
303 per tubo chimico ad alta pressione da 3/16" ID	McMaster-Carr		12
3/16" ID, 0,312" OD, 3.000 psi	McMaster-Carr		6
Regolatore di gas ad alta purezza monostadio, azoto, 0-125 psi, tubo flessibile CGA #580	McMaster-Carr		2
per raccordi fem in ottone per azoto gassoso, argon e ossigeno, tubo flessibile in PTFE, 3' L, 1/4" ID, 3.600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
Raccordo per tubo filettato 316 SS a pressione estrema 1/4 x 1/4 Dimensioni tubo, nipplo esagonale	McMaster-Carr		4
Raccordo per tubo filettato 316 SS per pressioni estreme Dimensioni tubo 3/4 x 3/4, nipplo esagonale	McMaster-Carr		2
Raccordo per tubi filettati 316 SS per pressioni estreme Dimensioni tubo 1/4 maschio x 1/8 femmina, boccola esagonale	McMaster-Carr		2
Adattatore per tubo di compressione in ottone standard per tubo da 1/4" OD x 1/4" NPTF Tubo maschio	McMaster-Carr		4
Kobalt 1/4 in Mini regolatore con manometro	Lowes		2
1/4" x 25 piedi tubo in polietilene	Lowes		2
1-1/2" di diametro in policarbonato (PC) Asta	McMaster-Carr		2
LTV-35 Valvola a 4 vie Mead Fluid Dynamics	Motion Industries		2
Attuatore pneumatico a doppia azione	Valtronic		2
Valvola a sfera in acciaio inossidabile 1/2"	Valtronic		2
Recipiente a pressione Buckeye	Buckeye		2
SR-4 Estensimetri FAE-25-35SX per uso generico	Micro-misura Vishay Precision Group		2
M-M Amplificatore di condizionamento del segnale 2310A	Micro-misura Vishay Precision Group		1
Sensore ottico laser ROLS-W	Monarch Instruments		1