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

O objetivo geral deste procedimento é obter a alta taxa de deformação uniaxial, a verdadeira resposta de tensão e deformação dos biomateriais macios que estão sendo testados. Isso é feito primeiro testando uma amostra de cérebro em uma barra de pressão de hopkinson dividida ou aparelho SHPB e, em seguida, calibrando a versão unidimensional do modelo de material com resposta experimental de tensão verdadeira à deformação. A simulação de elementos finitos ou FE da configuração SHPB é então realizada para avaliar a direção média de carregamento da amostra, tensão e tensão da linha central.

A etapa final é comparar iterativamente o ajuste do modelo de material unidimensional e a tensão da linha central da simulação de EF, e a direção de carregamento tridimensional da EF, a tensão e a resposta experimental à tensão verdadeira e deformação até que uma boa concordância entre os resultados acima mencionados seja obtida. Em última análise, a metodologia experimental de elementos finitos acoplada é usada para mostrar que a resposta de tensão real e deformação uniaxial para biomateriais macios pode ser obtida usando um SHPB. A principal vantagem dessa técnica sobre os métodos existentes, como testes de tubo de choque, é que essa técnica torna a resposta mecânica uniaxial de alta taxa de deformação de um biomaterial macio.

As implicações dessa técnica se estendem ao diagnóstico de lesão cerebral traumática por meio da modelagem virtual do corpo humano. Porque os dados obtidos com o método atual podem capturar com precisão lesões locais e danos decorrentes de traumas na cabeça humana. Tivemos a ideia para este método pela primeira vez ao trabalhar na correlação dos dados do experimento de alta taxa de tensão do cérebro com os resultados da tireoide e modelagem, demonstrando este procedimento será o veterinário Dr.Jim Cooley, estudante de pós-graduação, Sr. Soro Patnaik e pesquisador associado Sr. Wilburn Wittington Sob a supervisão de um veterinário, extraia cirurgicamente órgãos suínos, como cérebro, fígado, músculo, gordura ou tendão.

Em seguida, coloque-os em recipientes cheios de solução salina tamponada com fosfato ou PBS para armazenamento temporário. Armazene os recipientes PBS em um refrigerador gelado e transporte-os imediatamente para a instalação de teste para preparação de amostras e teste de Hopkins dividido em barra de pressão ou SHPB. Uma vez na instalação de teste, remova o órgão suíno do recipiente PBS e coloque-o em uma superfície estéril.

Identifique a orientação e os locais da fibra primária para cada amostra de teste. Em seguida, use um corante cilíndrico com um diâmetro interno de 30 milímetros para dissecar a amostra de teste do órgão suíno. Em seguida, use um andaime para aparar a amostra com a espessura e proporção prescritas para o teste SHPB de amostras suínas.

A espessura é de 10 a 15 milímetros, enquanto a proporção é de 33 a 0,5. Use paquímetros para medir a espessura e o diâmetro em três locais diferentes. Coloque uma barra percussora, uma barra incidente e uma barra transmitida nas extensões metálicas para testes SHPV.

Certifique-se de que as barras estejam se movendo livremente ao toque e que suas interfaces estejam alinhadas entre si. Forneça uma rolha para a barra transmitida para segurança. Conecte os medidores tensos, siga as barras incidentes e transmitidas ao amplificador de sinal.

Ligue o condicionamento de sinal amplifiers e o computador do módulo de aquisição de dados. Em seguida, inicialize o software de captura de dados de alta velocidade. Verifique a captura ao vivo dos sinais para ver se eles estão dentro da faixa normal e anule os sinais de ruído clicando no ícone zero.

Carregue a barra percussora adjacente à câmara de pressão. Construa a câmara de pressão para a pressão desejada abrindo o bico do tanque de nitrogênio e, em seguida, a válvula de entrada das câmaras de pressão zere o medidor de velocidade do laser pressionando o botão zero e configure-o para ler a velocidade da barra percussora colocando a faixa refletora na barra percussora. Atrás dos sensores a laser.

Coloque as câmaras de confinamento de amostra de forma que não impeça o movimento de movimento da barra incidente e refletida. Em seguida, coloque a barra incidente em contato com a barra transmitida para fins de calibração. Execute um teste sem uma amostra ligando o gatilho da câmara de pressão na barra Stryker.

Após a calibração, coloque uma amostra cilíndrica entre a barra incidente e a barra transmitida e, em seguida, feche a câmara de confinamento da amostra. Certifique-se de que nenhum pré-condicionamento seja realizado na amostra, evitando carregar e descarregar a amostra várias vezes e realizar o teste após a conclusão do teste. Use lenços higiênicos descartáveis para remover detritos de amostra da barra incidente, barra transmitida e câmara de confinamento de amostra.

Descarte todos os detritos e lenços umedecidos em sacos de segurança contra riscos biológicos. Higienize as barras e a câmara de confinamento de amostras. Usando uma solução de limpeza com 70% de etanol e lenços higiênicos.

Abra o software de alta taxa da MSU para análise de Hopkins em ondas de barra. Comece o software examinando a janela de configurações e escolhendo a opção de compressão de tensão na guia de modo para testes uniaxiais. Além disso, selecione dois medidores na guia de medidores e clique em continuar Na janela principal, selecione a guia abrir arquivo um e navegue até os dados da onda incidente do registro do medidor de tensão na barra de incidentes, selecione a guia abrir arquivo dois para importar o registro do medidor de tensão da barra transmitida.

Em seguida, selecione a guia de parâmetros na janela principal e insira os parâmetros físicos da configuração de teste, incluindo dimensões da barra, tensão para fatores de deformação, posições do medidor de tensão e constantes de dispersão viscoelástica. Clique em continuar. Em seguida, selecione a guia selecionar dados na janela principal e use as barras de cursor para reduzir o conjunto de dados apenas para a quantidade de dados que contém as ondas refletidas e transmitidas incidentes.

Clique em continuar. Neste ponto, navegue até a guia selecionar ondas na janela principal e use as barras de cursor para confinar a onda incidente no gráfico de ondas incidentes, a onda refletida e o gráfico de ondas refletidas e a onda transmitida e o gráfico de ondas transmitidas. Em seguida, clique em continuar.

Depois disso, selecione a guia correta na janela principal para permitir que o software corrija a dispersão viscoelástica. Agora selecione a guia shift na janela principal no gráfico de ondas. Use o cursor para arrastar as ondas refletidas e transmitidas incidentes para a mesma posição inicial no tempo.

Selecionando cada um individualmente. Na guia de seleção de onda, exiba todas as ondas no gráfico de dados. Depois de concluído, clique em continuar no arquivo de resultados.

Salve a posição de colocação de carga e os perfis de velocidade clicando em Salvar como usando o software comercial de elementos finitos ou EF. Crie um modelo de EF da configuração SHPB. Em seguida, execute uma simulação de FE.

Verifique se as medições do strain gauge no experimento e a simulação de FE estão em boa concordância. Incorpore a amostra de biomaterial no modelo FE da configuração SHPB. Atribua uma implementação tridimensional do modelo de material variável de estado interno à amostra de biomaterial.

Calibre a curva de tensão e deformação real do experimento com a curva de tensão e deformação real do modelo ajustando os parâmetros dos modelos de material variável de estado interno. Em seguida, atribua as constantes de material variável de estado interno à amostra de biomaterial no modelo FE para a configuração SHPB. Em seguida, execute a simulação de EF com a velocidade da barra Stryker e a taxa de deformação da amostra correspondente aos testes SHPB na mesma taxa de deformação.

Na segunda etapa da calibração do modelo de EF, execute os dados do strain gauge de simulação de FE. Software de pós-processamento de experimentos SHPB Software de alta taxa MSU. Por fim, execute uma média de volume da tensão de direção de carregamento ao longo dos elementos da linha central da amostra do modelo de EF.

A eficácia da metodologia acoplada é exemplificada aqui. A resposta experimental de tensão de SHPV para o cérebro está em um estado de tensão mais baixo em comparação com o estado de tensão do simulador de ponto de material unidimensional, que é semelhante à média do estado de tensão da linha central da amostra FE. Isso se deve à natureza multiaxial da deformação.

Essa exposição de BioMAT suave mostrada aqui são constantes de material representativas para o cérebro obtidas através da metodologia de simulação F FE do experimento SHPB acoplado. Os strain gauges virtuais de análise de elementos finitos são comparados aos strain gauges experimentais e, em seguida, simultaneamente o simulador de ponto de material e a média da linha central FE são comparados para obter uma boa concordância. Aqui, as constantes do material são variadas até que mais de duas estejam em boa concordância.

Esta figura mostra que a curva de deformação de tensão verdadeira experimental SHPB realmente mede o primeiro invariante de tensão em vez do comportamento de deformação de tensão na direção de carregamento uniaxial. Portanto, o uso dos resultados experimentais do SHPB sozinho seria errôneo se não fosse acoplado à modelagem do tipo FE para avaliar o comportamento uniaxial. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em 12 horas se for executada corretamente.

Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que experimentos e estratégia multiaxial ao testar materiais de arame amolecido.