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

Ogólnym celem tej procedury jest uzyskanie jednoosiowej wysokiej szybkości odkształcania, rzeczywistej odpowiedzi na odkształcenie miękkich biomateriałów, które są testowane. Osiąga się to poprzez najpierw przetestowanie próbki mózgu w dzielonym ciśnieniu Hopkinsona lub aparacie SHPB, a następnie kalibrację jednowymiarowej wersji modelu materiałowego z eksperymentalną reakcją na prawdziwe naprężenie. Następnie przeprowadza się symulację metodą elementów skończonych lub ES konfiguracji SHPB w celu oceny średniego kierunku obciążenia próbki, naprężenia i naprężenia w linii środkowej.

Ostatnim krokiem jest iteracyjne porównanie dopasowania jednowymiarowego modelu materiałowego i naprężenia linii środkowej symulacji ES oraz trójwymiarowego kierunku obciążenia ES, naprężenia i eksperymentalnej odpowiedzi na odkształcenie naprężenia rzeczywistego, aż do uzyskania dobrej zgodności między wyżej wymienionymi wynikami. Ostatecznie wykorzystano sprzężoną eksperymentalną metodologię elementów skończonych, aby wykazać, że jednoosiową odpowiedź na rzeczywiste naprężenie odkształcenia dla miękkich biomateriałów można uzyskać za pomocą SHPB. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak testy rurkowe uderzeniowe, jest to, że technika ta zapewnia jednoosiową reakcję mechaniczną miękkiego biomateriału o wysokiej szybkości odkształcania.

Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku diagnozowania urazowego uszkodzenia mózgu poprzez wirtualne modelowanie ludzkiego ciała. Ponieważ dane uzyskane za pomocą obecnej metody mogą dokładnie uchwycić miejscowe urazy i uszkodzenia wynikające z urazu ludzkiej głowy. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy pracowaliśmy nad skorelowaniem danych z eksperymentu z wysokim współczynnikiem odkształcania mózgu z wynikami tarczycy i modelowania, Demonstrując tę procedurę zostanie zademonstrowany przez weterynarza dr Jima Cooleya, doktoranta, pana Soro Patnaika i współpracownika naukowego pana Wilburna Wittingtona Pod nadzorem lekarza weterynarii, chirurgicznie ekstrahuje narządy świń, takie jak mózg, wątroba, mięśnie, tłuszcz lub ścięgno.

Następnie umieść je w pojemnikach wypełnionych solą fizjologiczną buforowaną fosforanami lub PBS do tymczasowego przechowywania. Przechowuj pojemniki PBS w lodowej chłodziarce i natychmiast przetransportuj je do zakładu testowego w celu przygotowania próbki i podziel Hopkinsa w testach ciśnieniowych lub SHPB. Po dotarciu do placówki badawczej wyjmij narząd świni z pojemnika PBS i umieść go na sterylnej powierzchni.

Zidentyfikuj główną orientację i lokalizacje włókien dla każdej badanej próbki. Następnie użyj cylindrycznego barwnika o średnicy wewnętrznej 30 milimetrów, aby wypreparować badaną próbkę z narządu świni. Następnie użyj rusztowania, aby przyciąć próbkę do zalecanej grubości i proporcji do badania SHPB próbek świń.

Grubość wynosi od 10 do 15 milimetrów, a współczynnik kształtu wynosi od 33 do 0,5. Użyj suwmiarki, aby zmierzyć grubość i średnicę w trzech różnych miejscach. Umieść pręt zgarniający, pręt incydentalny i pręt transmisyjny w metalowych przedłużeniach w celu przeprowadzenia testów SHPV.

Upewnij się, że paski swobodnie przesuwają się w dotyku i że ich interfejsy są wyrównane względem siebie. Dla bezpieczeństwa zapewnij korek dla przesyłanego pręta. Podłącz naprężone manometry, przylegaj do padającego i przesyłanego pręta do wzmacniacza sygnału.

Włącz wzmacniacze kondycjonowania sygnału i komputer modułu akwizycji danych. Następnie zainicjuj oprogramowanie do szybkiego przechwytywania danych. Sprawdź przechwytywanie sygnałów na żywo, aby sprawdzić, czy mieszczą się one w normalnym zakresie, i zneutralizuj sygnały szumu, klikając ikonę zera.

Załadować pręt zgarniający przylegający do komory ciśnieniowej. Zbuduj komorę ciśnieniową do żądanego ciśnienia, otwierając dyszę zbiornika azotu, a następnie zawór wlotowy komór ciśnieniowych, wyzeruj laserowy miernik prędkości, naciskając przycisk zerowania i ustaw go tak, aby odczytywał prędkość pręta zgarniającego, ustawiając pasek odbłyśnika na belce zgarniającej. Za czujnikami laserowymi.

Komory do przechowywania próbek należy umieścić w taki sposób, aby nie utrudniały ruchu pręta padającego i odbitego. Następnie umieść pręt padający w kontakcie z przesyłanym prętem w celu kalibracji. Przeprowadź test bez próbki, przekręcając spust komory ciśnieniowej na drążku Stryker.

Po kalibracji umieścić cylindryczną próbkę między padającym a przesyłanym prętem, a następnie zamknąć komorę zamykania próbki. Upewnij się, że na próbce nie jest przeprowadzane kondycjonowanie wstępne, unikając wielokrotnego ładowania i rozładowywania próbki, a następnie wykonaj test po zakończeniu badania. Użyj jednorazowych chusteczek higienicznych, aby usunąć sample zanieczyszczeń z pręta incydentalnego, pręta transmisyjnego i komory zamknięcia próbki.

Wyrzuć wszystkie zanieczyszczenia i chusteczki do bezpiecznych toreb zabezpieczających przed zagrożeniem biologicznym. Zdezynfekuj pręty i komorę na próbki. Używanie 70% roztworu czyszczącego etanolu i chusteczek higienicznych.

Otwórz oprogramowanie MSU high rate do analizy Hopkinsa w falach słupkowych. Uruchom oprogramowanie, sprawdzając okno ustawień i wybierając opcję kompresji rozciągania w zakładce trybu do testowania osiowego uni. Wybierz także dwa mierniki na karcie mierników i kliknij kontynuuj W oknie głównym wybierz otwartą kartę pliku z jednej karty i przejdź do danych fali padającej z rekordu tensometru na pasku incydentu, wybierz kartę otwórz plik dwa, aby zaimportować przesłany rekord tensometryczny pręta.

Następnie wybierz zakładkę parametrów w oknie głównym i wprowadź parametry fizyczne konfiguracji testowej, w tym wymiary prętów, napięcie do współczynników odkształcających, pozycje tensometryczne i stałe dyspersji lepkosprężystej. Kliknij przycisk Kontynuuj. Następnie wybierz zakładkę wybierz dane w oknie głównym i za pomocą pasków kursora zmniejsz zestaw danych tylko do ilości danych zawierających fale padające, odbite i przesłane.

Kliknij przycisk Kontynuuj. W tym momencie przejdź do zakładki wybierz fale w oknie głównym i użyj pasków kursora, aby ograniczyć falę padającą na wykresie fali padającej, falę odbitą i wykres fali odbitej oraz falę transmitowaną i wykres fali transmitowanej. Następnie kliknij przycisk Kontynuuj.

Następnie wybierz odpowiednią zakładkę w oknie głównym, aby umożliwić oprogramowaniu skorygowanie dyspersji lepkosprężystej. Teraz wybierz zakładkę shift w oknie głównym na wykresie falowym. Użyj kursora, aby przeciągnąć padające, odbite i przesłane fale do tej samej początkowej pozycji w czasie.

Wybierając każdy z nich z osobna. Na karcie wyboru grupy czynności wyświetl wszystkie grupy czynności na wykresie danych. Po zakończeniu kliknij przycisk Kontynuuj w pliku wyników.

Zapisz profile rozmieszczenia obciążenia, położenia i prędkości, klikając przycisk Zapisz jako przy użyciu komercyjnego oprogramowania elementów skończonych lub ES. Utwórz model ES konfiguracji SHPB. Następnie uruchom symulację ES.

Sprawdź, czy pomiary tensometryczne w eksperymencie i symulacja ES są zgodne. Włączyć próbkę biomateriału do modelu ES zestawu SHPB. Przypisz trójwymiarową implementację modelu materiałowego o zmiennej stanie wewnętrznym do próbki biomateriału.

Skalibruj krzywą naprężenia rzeczywistego odkształcenia eksperymentu z krzywą naprężenia i odkształcenia modelu, dostosowując parametry modeli materiałowych zmiennych warunków stanu wewnętrznego. Następnie przypisz zmienne stałe materiału zmiennej stanu wewnętrznego do próbki biomateriału w modelu ES dla konfiguracji SHPB. Następnie uruchom symulację ES z prędkością pręta Stryker i szybkością odkształcania próbki odpowiadającą testom SHPB przy tej samej prędkości odkształcania.

W drugim kroku kalibracji modelu ES uruchom dane tensometryczne symulacji ES. Oprogramowanie do przetwarzania końcowego eksperymentów SHPB Oprogramowanie MSU o wysokiej szybkości. Na koniec należy wykonać średnią objętościową naprężenia kierunku obciążenia wzdłuż elementów linii środkowej próbki modelu ES.

Skuteczność metodologii sprzężonej jest tutaj zilustrowana. Eksperymentalna reakcja SHPV na naprężenie odkształceniowe dla mózgu jest w niższym stanie naprężenia w porównaniu ze stanem naprężenia jednowymiarowego symulatora punktu materialnego, który jest zbliżony do średniej stanu naprężenia linii środkowej próbki ES. Wynika to z wieloosiowego charakteru odkształcenia.

Pokazany tutaj miękki eksponat BioMAT to reprezentatywne stałe materialne dla mózgu, uzyskane za pomocą sprzężonej metodologii symulacji F FE eksperymentu SHPB. Wirtualne tensometry do analizy metodą elementów skończonych są porównywane z eksperymentalnymi czujnikami tensometrycznymi, a następnie jednocześnie symulator punktu materiałowego i średnia linii środkowej ES są porównywane w celu uzyskania dobrej zgodności. Tutaj stałe materialne są zmieniane, aż więcej niż dwie są zgodne.

Rysunek ten pokazuje, że eksperymentalna krzywa odkształcenia naprężenia rzeczywistego SHPB w rzeczywistości mierzy pierwszy niezmiennik naprężenia, a nie jednoosiowe zachowanie odkształcenia naprężenia w kierunku obciążenia. W związku z tym wykorzystanie samych wyników eksperymentalnych SHPB byłoby błędne, gdyby nie było połączone z modelowaniem typu ES w celu oceny zachowania jednoosiowego. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu 12 godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.

Próbując tej procedury, należy pamiętać, że eksperymenty e wieloosiowa strata podczas testowania zmiękcza materiały druciane.