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

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di ottenere l'elevata velocità di deformazione uniassiale, la vera risposta alla deformazione da sforzo dei biomateriali morbidi in fase di test. Ciò si ottiene testando prima un campione di cervello in una barra di pressione hopkinson divisa o in un apparecchio SHPB, quindi calibrando la versione unidimensionale del modello del materiale con una vera risposta sperimentale alla deformazione da sforzo. Viene quindi eseguita la simulazione agli elementi finiti o FE della configurazione SHPB per valutare la direzione di carico media del campione, la sollecitazione e la sollecitazione della linea centrale.

Il passaggio finale consiste nel confrontare iterativamente l'adattamento del modello di materiale unidimensionale e la sollecitazione della linea centrale della simulazione FE e la direzione di carico FE tridimensionale, la sollecitazione e la risposta alla deformazione reale sperimentale fino a ottenere un buon accordo tra i risultati di cui sopra. In definitiva, la metodologia sperimentale accoppiata agli elementi finiti viene utilizzata per dimostrare che la vera risposta alla sollecitazione uniassiale per i biomateriali morbidi può essere ottenuta utilizzando un SHPB. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come i test sui tubi d'urto è che questa tecnica rende l'elevata velocità di deformazione la risposta meccanica uniassiale di un biomateriale morbido.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla diagnosi di lesioni cerebrali traumatiche attraverso la modellazione virtuale del corpo umano. Perché i dati ottenuti dal metodo attuale possono catturare con precisione lesioni locali e danni derivanti da traumi alla testa umana. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando abbiamo lavorato sulla correlazione dei dati dell'esperimento ad alto tasso di deformazione cerebrale con i risultati della tiroide e della modellazione, dimostrando questa procedura sarà il veterinario Dr.Jim Cooley, lo studente laureato, Mr.Soro Patnaik e il ricercatore associato Mr.Wilburn Wittington Sotto la supervisione di un veterinario, estrarre chirurgicamente organi suini come il cervello, fegato, muscolo, grasso o tendine.

Quindi metterli in contenitori riempiti con soluzione salina tamponata con fosfato o PBS per la conservazione temporanea. Conservare i contenitori PBS in un refrigeratore ghiacciato e trasportarli immediatamente alla struttura di analisi per la preparazione del campione e dividere Hopkins in bar di pressione o test SHPB. Una volta nella struttura di analisi, rimuovere l'organo suino dal contenitore PBS e posizionarlo su una superficie sterile.

Identificare l'orientamento e le posizioni delle fibre primarie per ciascun campione di prova. Quindi utilizzare un colorante cilindrico con un diametro interno di 30 millimetri per sezionare il campione di prova dall'organo suino. Successivamente, utilizzare un'impalcatura per tagliare il campione allo spessore e alle proporzioni prescritti per l'analisi SHPB di campioni suini.

Lo spessore è compreso tra 10 e 15 millimetri, mentre il rapporto d'aspetto è compreso tra 33 e 0,5. Utilizzare i calibri per misurare lo spessore e il diametro in tre punti diversi. Posizionare una barra di riscontro, una barra incidente e una barra trasmessa nelle prolunghe metalliche per il test SHPV.

Assicurarsi che le barre si muovano liberamente al tocco e che le loro interfacce siano allineate tra loro. Fornire un tappo per la barra trasmessa per sicurezza. Collegare gli indicatori tesi, aderire alle barre incidenti e trasmesse all'amplificatore di segnale.

Accendere gli amplificatori di condizionamento del segnale e il computer del modulo di acquisizione dati. Quindi inizializzare il software di acquisizione dati ad alta velocità. Verificare l'acquisizione in tempo reale dei segnali per vedere se si trovano all'interno dell'intervallo normale e annullare i segnali di rumore facendo clic sull'icona zero.

Caricare la barra di riscontro adiacente alla camera di pressione. Costruire la camera di pressione alla pressione desiderata aprendo l'ugello del serbatoio di azoto, quindi la valvola di ingresso della camera di pressione azzera il misuratore di velocità laser premendo il pulsante zero e impostarlo per leggere la velocità della barra di percussore impostando la striscia del riflettore sulla barra di percussore. Dietro i sensori laser.

Posizionare le camere di confinamento del campione in modo tale da non ostacolare il movimento della barra della barra incidente e riflessa. Quindi posizionare la barra incidente a contatto con la barra trasmessa per la calibrazione. Eseguire un test senza campione attivando l'interruttore a grilletto per la camera di pressione sulla barra Stryker.

Dopo la calibrazione, posizionare un campione cilindrico tra la barra incidente e quella trasmessa e quindi chiudere la camera di confinamento del campione. Assicurarsi che non venga eseguito alcun precondizionamento sul campione evitando di caricare e scaricare il campione più volte ed eseguire il test al termine del test. Utilizzare salviette igieniche monouso per rimuovere i detriti del campione dalla barra incidente, dalla barra trasmessa e dalla camera di confinamento del campione.

Smaltire tutti i detriti e le salviette in sacchetti di sicurezza per rischi biologici. Igienizzare le barre e la camera di confinamento dei campioni. Utilizzando una soluzione detergente al 70% di etanolo e salviette igieniche.

Aprire il software MSU high rate per l'analisi di Hopkins nelle onde a barre. Inizia il software esaminando la finestra delle impostazioni e scegliendo l'opzione di compressione della trazione nella scheda delle modalità per i test assiali uni. Inoltre, selezionare due misuratori nella scheda degli estensimetri e fare clic su continua Nella finestra principale, selezionare la scheda Apri file uno e navigare fino ai dati dell'onda incidente dal record dell'estensimetro sulla barra incidente, selezionare la scheda Apri file due per importare il record dell'estensimetro a barre trasmesse.

Quindi, selezionare la scheda dei parametri nella finestra principale e inserire i parametri fisici della configurazione di prova, comprese le dimensioni delle barre, i fattori di tensione/deformazione, le posizioni degli estensimetri e le costanti di dispersione viscoelastica. Fai clic su continua. Quindi selezionare la scheda Seleziona dati nella finestra principale e utilizzare le barre del cursore per ridurre il set di dati alla sola quantità di dati contenenti le onde riflesse e trasmesse dall'incidente.

Fai clic su continua. A questo punto, vai alla scheda Seleziona onde nella finestra principale e usa le barre del cursore per confinare l'onda incidente nel grafico dell'onda incidente, l'onda riflessa e il grafico dell'onda riflessa e l'onda trasmessa e il grafico dell'onda trasmessa. Quindi fare clic su continua.

Successivamente, selezionare la scheda corretta nella finestra principale per consentire al software di correggere la dispersione viscoelastica. Ora seleziona la scheda Shift nella finestra principale nel grafico delle onde. Utilizzare il cursore per trascinare le onde riflesse e trasmesse incidenti nella stessa posizione iniziale nel tempo.

Selezionandoli singolarmente. Nella scheda di selezione dell'ondata, visualizza tutte le onde nel grafico dei dati. Una volta completato, fai clic su Continua nel file dei risultati.

Salvare la posizione di posizionamento del carico e i profili di velocità facendo clic su Salva con nome utilizzando un software commerciale agli elementi finiti o FE. Create un modello FE dell'impostazione SHPB. Quindi esegui una simulazione FE.

Verificare che le misurazioni dell'estensimetro nell'esperimento e nella simulazione FE siano in buon accordo. Incorporare il campione di biomateriale nel modello FE della configurazione SHPB. Assegnare un'implementazione tridimensionale del modello di materiale variabile a stato interno al campione di biomateriale.

Calibra la curva di sollecitazione e deformazione reale dell'esperimento con la curva di sollecitazione e deformazione reale del modello regolando i parametri dei modelli di materiali variabili a stato interno. Quindi assegnare le costanti del materiale variabile di stato interno al campione di biomateriale nel modello FE per la configurazione SHPB. Quindi, eseguire la simulazione FE con la velocità della barra Stryker e la velocità di deformazione del campione corrispondenti ai test SHPB alla stessa velocità di deformazione.

Nella seconda fase della calibrazione del modello FE, eseguire i dati dell'estensimetro di simulazione FE. Software di post-elaborazione dell'esperimento SHPB Software MSU ad alta velocità. Infine, eseguire una media del volume della sollecitazione della direzione di carico lungo gli elementi della linea centrale del campione del modello FE.

L'efficacia della metodologia accoppiata è qui esemplificata. La risposta sperimentale SHPV allo sforzo e alla deformazione per il cervello è a uno stato di stress inferiore rispetto allo stato di stress del simulatore di punti materiali unidimensionale, che è simile alla media dello stato di stress della linea centrale del campione FE. Ciò è dovuto alla natura multiassiale della deformazione.

L'esposizione morbida di BioMAT mostrata qui sono costanti materiali rappresentative per il cervello ottenute attraverso la metodologia di simulazione F FE dell'esperimento accoppiato SHPB. Gli estensimetri virtuali per l'analisi degli elementi finiti vengono confrontati con gli estensimetri sperimentali e quindi contemporaneamente vengono confrontati il simulatore del punto del materiale e la media della linea centrale FE per ottenere un buon accordo. Qui le costanti dei materiali vengono variate fino a quando più di due sono in buon accordo.

Questa figura mostra che la curva sperimentale di deformazione reale della sollecitazione SHPB misura effettivamente il primo invariante della sollecitazione piuttosto che il comportamento della deformazione della direzione di carico uniassiale. Quindi l'uso dei risultati sperimentali SHPB da solo sarebbe errato se non fosse accoppiato con la modellazione di tipo FE per valutare il comportamento assiale uni. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 12 ore se eseguita correttamente.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che gli esperimenti e lo strato multiassiale quando si testano materiali di filo morbidi.