A Element Modeling Metodologia Juntamente Experiment-finito para Avaliar alta Strain Rate Mechanical Response de Biomateriais macios

Summary

O estudo atual prescreve uma metodologia de simulação elemento finito-experimento juntamente para se obter a resposta mecânica dinâmica uniaxial de biomateriais moles (cérebro, fígado, tendão, gordura, etc.). Os resultados experimentais multiaxiais que surgiram por causa de abaulamento amostra obtida a partir de Split-Hopkinson Bar testes de pressão foram prestados a um comportamento uniaxial stress-strain verdadeiro quando simulado através da optimização iterativa da análise de elementos finitos do biomaterial.

Abstract

Este estudo oferece uma abordagem de simulação de elemento finito e experimental combinado (FE) para analisar o comportamento mecânico de biomateriais macios (por exemplo, cérebro, fígado, tendão, gordura, etc.) quando expostos a altas taxas de deformação. Este estudo utilizou um Split-Hopkinson Bar Pressão (SHPB) para gerar taxas de deformação de 100-1,500 sec ^-1. O SHPB empregue uma barra avançado que consiste de um material viscoelástico (policarbonato). Uma amostra do biomaterial foi obtida logo post-mortem e preparados para o ensaio SHPB. O espécime foi interposto entre o incidente e barras transmitidos, e os componentes pneumáticos do SHPB foram activadas para dirigir a barra avançado para a barra incidente. O impacto resultante gerou uma onda de tensão de compressão (ou seja onda incidente) que viajou através da barra de incidente. Quando a onda de tensão de compressão atingido o fim da barra incidente, uma porção continua para a frente através da amostra e transmitido barra (i.e. onda transmitida) enquanto outra parcela revertida através da barra incidente como uma onda de tração (isto é refletido onda). Estas ondas foram medidos utilizando extensômetros montados sobre o incidente e bares transmissíveis. O comportamento tensão-deformação verdadeira da amostra foi determinada a partir de equações com base na propagação de ondas e equilíbrio força dinâmica. A resposta de tensão-deformação experimental era tridimensional na natureza porque o espécime incharam. Como tal, a tensão hidrostática (primeiro invariante) foi utilizado para gerar a resposta de tensão-deformação. A fim de extrair o uniaxial (unidimensional) resposta mecânica do tecido, uma optimização iterativa acoplado foi realizada utilizando os resultados experimentais e análise de elementos finitos (FEA), que continha um modelo (ISV) Material de variável de estado interno usado para o tecido. O modelo de material ISV utilizado nas simulações FE da montagem experimental foi calibrado de forma iterativa (ou seja otimizado) aos dados experimentais, tais that do experimento e FEA valores strain gage e primeiro invariante de tensões estavam de acordo.

Introduction

Motivação

O objetivo fundamental da divisão acoplada - Hopkinson Bar Pressão (SHPB) experimento / modelagem de elemento finito de biomateriais macios (tais como cérebro, fígado, tendão, gordura, etc.) foi extrair seus comportamentos mecânicos uniaxiais para posterior aplicação no corpo humano FE simulações sob cargas mecânicas prejudiciais. A Finite Element modelo corpo humano (FE) é constituído por uma malha corpo humano detalhado e uma história modelo (ISV) de material variável dependente multiscale viscoelástico-viscoplástico Estado Interno para vários órgãos humanos. Este modelo corpo humano pode ser usado para um qu....

Protocol

Declaração de Ética: NOTA: O presente trabalho é exclusivo para a política de investigação da instituição, e segue estritamente a bio-segurança e do Office adequado da conformidade regulamentar (ORC) orientações.

1. Biomaterial Specimen Procurement

1. Usar equipamento de protecção pessoal de acordo com os protocolos de biossegurança padrão de laboratório e / ou instituição. Usar sapatos fechados dedos, calças compridas, um jaleco, luvas cirúrgicas, uma máscara de protecção e óculos de segurança durante o manuseio de tecido porcino e testes.
2. Obter tecido porcino (cabeça, abdômen, ou perna) de suínos saudáveis ​​a partir d....

Results

A eficácia da metodologia acoplado é exemplificado na Figura 3. Aqui, a resposta experimental de tensão-deformação SHPB para o cérebro está num estado de tensão mais baixa (com uma tensão de pico de 0,32 MPa) em comparação com o estado de tensão do material unidimensional ponto simulador (com um valor de pico de 0,74 MPa), o que é semelhante à linha de centro da amostra FE média (elemento). Isto é devido à natureza de deformação que os biomateriais moles exposição. Porque as taxas de deformação são elev.......

Discussion

A metodologia informou que casais do experimento SHPB e modelagem FE da SHPB oferece uma nova e única técnica para avaliar a verdadeira resposta de tensão-deformação uniaxial de um biomaterial em altas taxas de deformação. A fim de obter as propriedades mecânicas intrínsecas no tecido nativo, deve ser tomado cuidado para manter a amostra biomaterial entre 5,56-7,22 ° C antes do teste SHPB. Se a amostra for arrefecida abaixo de 5,56 ° C, a água presente no tecido começa a cristalizar-se em gelo e, subsequentemente, alter.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Conexão de tubulação rosqueada de aço inoxidável 316 de alta pressão, tamanho de tubulação 1/2 macho x 1/4 fêmea, bucha redutora hexagonal	McMaster-Carr		2
Tipo 316 conexão de tubulação rosqueada, 3/4 macho x 1/4 fêmea, bucha redutora hexagonal 150  psi	McMaster-Carr		2
Válvula de esfera de fácil manutenção tipo 316SS, com extremidades de aço inoxidável 316, 1/2" NPT fêmea	McMaster-Carr		2
Válvula de esfera de fácil manutenção tipo 316SS, com extremidades de aço inoxidável 316, 3/4" NPT fêmea	McMaster-Carr		2
Válvula de segurança pop de aço inoxidável com código ASME, 1/4 NPT macho, 300  psi	McMaster-Carr		2
Conexão de tubo de pressão extrema de precisão 316SS, tamanho do tubo 1/2 x 1/2, comprimento de 1-7/8", bico hexagonal	McMaster-Carr		8
tipo 316 conexão de tubo rosqueado de aço inoxidável, tamanho de tubo 1/2, tee, 150  psi	McMaster-Carr		2
Medidor de teste com estojo de segurança, estojo de poliéster, padrão, seco, 600  medidor digital psi	McMaster-Carr		2
, caixa de plástico, mostrador de 2-1/2", conexão inferior de 1/4, 300  psi	McMaster-Carr		2
Tipo 316 aço inoxidável 37 graus alargado encaixe de tubo, adaptador para tubo de 1/4" OD x 1/8" NPT tubo macho	McMaster-Carr		12
303 aço inoxidável 37 graus JIC encaixe giratório para 3/16" ID	McMaster-Carr		12
Mangueira química de alta pressão, 3/16" ID, 0,312" OD, 3.000 psi	McMaster-Carr		6
Regulador de Gás de Alta Pureza de Estágio Único, Nitrogênio, 0-125 psi, CGA #580	McMaster-Carr		2
Mangueira para Gás Nitrogênio, Argônio e Oxigênio Conexões de Latão Fem, Mangueira de PTFE, 3' L, 1/4" ID, 3,600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
Conexão de Tubo Roscada 316 SS de Extrema Pressão 1/4 x 1/4 Tamanho do Tubo, Bico Hexagonal	McMaster-Carr		4
Conexão de Tubo Roscada 316 SS de Extrema Pressão 3/4 x 3/4 Tamanho do Tubo, Bico Hexagonal	McMaster-Carr		2
Conexão de Tubo Roscado 316 SS de Extrema Pressão 1/4 Macho x 1/8 Tamanho do Tubo Fêmea, Bucha Hexagonal		McMaster-Carr
para Tubo de 1/4" OD x 1/4" NPTF Tubo Macho	McMaster-Carr		4
Kobalt 1/4 in Mini Regulador com	Medidor Lowes
Tubo de polietileno de 2 1/4" x 25 pés	Lowes		2
1-1/2" Diâmetro Policarbonato (PC) Haste	McMaster-Carr		2
LTV-35 Válvula de 4 vias Mead Fluid Dynamics	Motion Industries		2
Atuador pneumático de ação dupla	Valtronic		2
Válvula de esfera de aço inoxidável 1/2"	Valtronic		2
Vaso de pressão Buckeye	Buckeye		2
SR-4 Strain Gages de uso geral FAE-25-35SX	Micro-Medição Vishay Precision Group		2
Amplificador de condicionamento de sinal MM, 2310A	Micro-Measurement Vishay Precision Group		1
Laser ROLS-W sensor óptico Monarch	Instruments		1