Artykuł metodologiczny

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

DOI:

10.3791/51545

⸱

18 maja 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy elementów skończonych biomateriału.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie oferuje połączone eksperymentalne i symulacyjne podejście elementów skończonych (FE) do badania mechanicznego zachowania miękkich biomateriałów (np. mózgu, wątroby, ścięgien, tłuszczu, itp.) podczas ekspozycji na wysokie prędkości odkształceń. W badaniu tym wykorzystano pręt ciśnieniowy Split-Hopkinson (SHPB) do wygenerowania szybkości odkształcania 100-1,500 sec-1. W SHPB zastosowano belkę zgarniającą składającą się z materiału lepkosprężystego (poliwęglanu). Próbka biomateriału została pobrana w krótkim czasie pośmiertnym i przygotowana do badań SHPB. Próbka została umieszczona między prętami uderzeniowymi a przesyłanymi, a elementy pneumatyczne SHPB zostały aktywowane, aby skierować belkę zaczepową w kierunku pręta padającego. Powstałe w ten sposób uderzenie wygenerowało falę naprężeń ściskających (tj. falę padającą), która przeszła przez pręt padający. Gdy fala naprężeń ściskających dotarła do końca padającego pręta, część kontynuowała się do przodu przez próbkę i przesyłała pręt (tj. fala transmitowana), podczas gdy inna część cofała się przez pręt padający jako fala rozciągająca (tj. fala odbita). Fale te mierzono za pomocą tensometrów zamontowanych na prętach padających i transmitowanych. Rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie próbki określono na podstawie równań opartych na rozchodzeniu się fal i równowadze sił dynamicznych. Eksperymentalna reakcja naprężenie-odkształcenie miała charakter trójwymiarowy, ponieważ próbka wybrzuszała się. W związku z tym naprężenie hydrostatyczne (pierwszy niezmienniczy) zostało wykorzystane do wygenerowania odpowiedzi naprężenie-odkształcenie. W celu wyodrębnienia jednoosiowej (jednowymiarowej) odpowiedzi mechanicznej tkanki przeprowadzono iteracyjną optymalizację sprzężoną z wykorzystaniem wyników eksperymentalnych i analizy elementów skończonych (MES), która zawierała model materiału zmiennej stanu wewnętrznego (ISV) zastosowany dla tkanki. Model materiałowy ISV wykorzystany w symulacjach FE konfiguracji eksperymentalnej został iteracyjnie skalibrowany (tj. zoptymalizowany) do danych eksperymentalnych w taki sposób, że wartości naprężeń eksperymentalnych i FEA oraz pierwszy niezmienniczy naprężenia były zgodne.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Motywacja

Głównym celem eksperymentu z połączonym drążkiem ciśnieniowym Split-Hopkinsona (SHPB) / modelowania metodą elementów skończonych miękkich biomateriałów (takich jak mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.) było wyodrębnienie ich jednoosiowych zachowań mechanicznych do dalszej implementacji w symulacjach FE ludzkiego ciała pod wpływem szkodliwych obciążeń mechanicznych. Model elementów skończonych ciała ludzkiego (FE) składa się ze szczegółowej siatki ludzkiego ciała i zależnego od historii wieloskalowego lepkosprężysto-lepkościoplastycznego modelu materiału zmiennej stanu wewnętrznego (ISV) dla różnych narządów ludz....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

UWAGA: Oświadczenie etyczne: Obecna praca jest unikalna dla polityki badawczej instytucji i ściśle przestrzega odpowiednich wytycznych dotyczących bezpieczeństwa biologicznego i Biura Zgodności Regulacyjnej (ORC).

1. Pobieranie próbek biomateriałów

  1. Nosić środki ochrony osobistej zgodnie ze standardowymi protokołami bezpieczeństwa biologicznego laboratorium i/lub instytucji. Noś buty z zakrytymi palcami, długie spodnie, fartuch laboratoryjny, rękawice chirurgiczne, maskę ochronną i okulary ochronne podczas obchodzenia się z tkanką świńską i testowania.
  2. Tkankę wieprzową (głowę, brzuch lub tylną nogę) zdrowych świń należy....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Skuteczność metodologii sprzężonej jest zilustrowana na rysunku 3. W tym przypadku eksperymentalna reakcja SHPB na stres-odkształcenie dla mózgu jest w niższym stanie naprężenia (z naprężeniem szczytowym 0,32 MPa) w porównaniu ze stanem naprężenia jednowymiarowego symulatora punktów materiałowych (z wartością szczytową 0,74 MPa), który jest zbliżony do średniej linii środkowej (elementu) próbki ES. Wynika to z charakteru odkształceń, jakie wykazują miękkie biomateriały. Ponieważ szybkości odkształcania s.......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiona metodologia, która łączy eksperyment SHPB i modelowanie FE SHPB, oferuje nowatorską i unikalną technikę oceny jednoosiowej rzeczywistej odpowiedzi naprężenie-odkształcenie biomateriału przy wysokich prędkościach odkształcania. W celu uzyskania właściwości mechanicznych właściwych tkance rodzimej, należy zadbać o to, aby próbka biomateriału była przechowywana w temperaturze 5,56–7,22 °C przed badaniem SHPB. Jeśli próbka zostanie schłodzona poniżej 5,56 °C, woda obecna w tkance zaczyna krystalizować w lód, a .......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie ma konfliktu interesów w odniesieniu do wszystkich materiałów związanych z niniejszą publikacją.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy chcieliby podziękować Centrum Zaawansowanych Systemów Samochodowych (CAVS) oraz Wydziałowi Inżynierii Rolniczej i Biologicznej Uniwersytetu Stanowego Mississippi za wsparcie tej pracy. Niniejszy materiał opiera się na pracach wspieranych przez Dowództwo Cyklu Życia TACOM Armii Stanów Zjednoczonych w ramach kontraktu nr 1. W56HZV-08-C-0236, w ramach podwykonawstwa z Uniwersytetem Stanowym Mississippi, został wykonany w ramach programu badawczego Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS). Materiał ten opiera się również na pracach wspieranych przez Narodową Administrację Bezpieczeństwa Jądrowego (Departament Energii) pod numerem nagrody [DE-FC26-06NT42755....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wysokociśnieniowa gwintowana złączka rurowa ze stali nierdzewnej 316, rozmiar rury 1/2 męskiej x 1/4 żeńskiej, tuleja redukcyjna sześciokątna GwintowanaMcMaster-Carr2
typu 316, 3/4 męska x 1/4 żeńska, sześciokątna tuleja redukcyjna 150  psiMcMaster-Carr2
Łatwy w konserwacji zawór kulowy typu 316SS, z końcówkami ze stali nierdzewnej 316, 1/2" NPT żeńskiMcMaster-Carr2
Łatwy w konserwacji typ 316SS, z końcówkami ze stali nierdzewnej 316, 3/4" NPT żeńskiMcMaster-Carr2
Zawór bezpieczeństwa ze stali nierdzewnej o kodzie ASME, męski 1/4 NPT, 300  psiMcMaster-Carr2
Precyzyjny łącznik rurowy 316SS do zastosowań ekstremalnie wysokich, rozmiar rury 1/2 x 1/2, długość 1-7/8", złączka sześciokątna ZłączkaMcMaster-Carr8
typ 316, rozmiar rury 1/2, trójnik, 150  psiMcMaster-Carr2
Przyrząd pomiarowy z walizką bezpieczeństwa, walizka poliestrowa, standardowa, sucha, 600  psiMcMaster-Carr2
Miernik cyfrowy, plastikowa obudowa, tarcza 2-1/2", dolne przyłącze 1/4, 300  psiMcMaster-Carr2
Typ 316 stal nierdzewna 37 stopni rura kielichowa, adapter do rury 1/4" OD x 1/8" NPT rura męskaMcMaster-Carr12
303 ze stali nierdzewnej 37 stopni złączka obrotowa JIC do 3/16" IDMcMaster-Carr12
Wysokociśnieniowy wąż chemiczny, 3/16" ID, 0.312" OD, 3,000 psiMcMaster-Carr6
Reduktor gazu o wysokiej czystości jednostopniowy, azot, 0-125 psi, CGA #580McMaster-Carr2
Wąż do azotu, argonu i tlenu Mosiężne złączki żeńskie, wąż PTFE, 3' L, 1/4" ID, 3,600 psiMcMaster-Carr2
[header]
Ekstremalnie ciśnieniowa złączka rurowa gwintowana 316 SS 1/4 x 1/4 Rozmiar rury, złączka sześciokątnaMcMaster-Carr4
Ekstremalnie ciśnieniowa złączka rurowa gwintowana 316 SS 3/4 x 3/4 Rozmiar rury, złączka sześciokątnaMcMaster-Carr2
Ekstremalnie ciśnieniowa 316 SS Gwintowana złączka rurowa 1/4 męska x 1/8 żeńska, tuleja sześciokątnaMcMaster-Carr2
Standardowy mosiężny adapter do rurki zaciskowej 1/4 "OD x 1/4" NPTF Rura męskaMcMaster-Carr4
Kobalt 1/4 cala Mini regulator z manometremLowesRurki
polietylenowe 2 1/4" x 25 stópLowes2
1-1/2" Średnica poliwęglanu (PC) PrętMcMaster-Carr2
LTV-35 Zawór 4-drogowy Mead Fluid DynamicsMotion Industries2
Pneumatyczny siłownik dwustronnego działaniaValtronic2
Zawór kulowy ze stali nierdzewnej 1/2"Valtronic2
Zbiornik ciśnieniowy BuckeyeBuckeye2
SR-4 Ogólnego przeznaczenia FAE-25-35SX Manomierzemikropomiarów Vishay Precision Group2
Wzmacniacz kondycjonowania sygnału M-M 2310AMikropomiar Vishay Precision Group1
Laserowy czujnik optyczny ROLS-WMonarch Instruments1
złączka rurowa ze stali nierdzewnej Zawór kulowy gwintowana ze stali nierdzewnej do

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus. J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).
  2. Aubry, M.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

High Strain RateSplit Hopkinson Pressure BarFinite Element AnalysisSoft BiomaterialsTrue Stress StrainInternal State VariableCoupled Experiment ModelingUniaxial Mechanical ResponseWave Propagation AnalysisStrain Gauge Measurements

Powiązane artykuły