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 resposta de tensão-deformação verdadeira em alta taxa de deformação uniaxial dos biomateriais moles em teste. Isso é realizado primeiramente testando uma amostra de cérebro em um dispositivo de barra de pressão split Hopkinson ou aparelho SHPB, e em seguida calibrando a versão unidimensional do modelo de material com a resposta experimental de tensão-deformação verdadeira. A simulação por elementos finitos ou simulação EF da configuração SHPB é então realizada para avaliar a direção média de carregamento da amostra, tensão e tensão na linha central.

O passo final consiste em comparar iterativamente o ajuste do modelo de material unidimensional e a tensão na linha central da simulação por elementos finitos, bem como a direção do carregamento em três dimensões, a tensão e a resposta experimental de tensão-deformação verdadeira, até que seja obtido um bom acordo entre os resultados mencionados. Em última análise, a metodologia acoplada experimental e de elementos finitos é utilizada para demonstrar que a resposta de tensão-deformação verdadeira uniaxial para biomateriais moles pode ser obtida usando um SHPB. A principal vantagem dessa técnica em relação a métodos existentes, como testes com tubo de choque, é que ela fornece a resposta mecânica uniaxial em altas taxas de deformação de um biomaterial mole.

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

Em seguida, coloque-os em recipientes preenchidos com solução salina tamponada com fosfato ou PBS para armazenamento temporário. Armazene os recipientes com PBS em um recipiente com gelo e transporte-os imediatamente para a instalação de testes para preparação da amostra e realização do teste split Hopkinson pressure bar ou SHPB. Ao chegar à instalação de testes, remova o órgão suíno do recipiente com PBS e coloque-o sobre uma superfície estéril.

Identifique a orientação primária da fibra e as localizações para cada amostra de teste. Em seguida, utilize um cilindro de corante com diâmetro interno de 30 milímetros para dissecar a amostra de teste do órgão suíno. Depois, utilize uma estrutura auxiliar para cortar a amostra até a espessura e razão de aspecto prescritas para o teste SHPB de amostras suínas.

A espessura é de 10 a 15 milímetros, enquanto a razão de aspecto é de 0,33 a 0,5. Utilize paquímetros para medir a espessura e o diâmetro em três locais diferentes. Coloque uma barra de impacto, uma barra incidente e uma barra transmitida nas extensões metálicas para o teste de SHPV.

Certifique-se de que as barras estejam livres para se mover ao toque e que suas interfaces estejam alinhadas umas com as outras. Forneça um tampão para a barra transmitida para garantir a segurança. Conecte as células de carga, aderindo às barras de incidência e transmissão ao amplificador de sinal.

Ligue os amplificadores de condicionamento de sinal e o computador do módulo de aquisição de dados. Em seguida, inicialize o software de captura de dados de alta velocidade. Verifique a captura em tempo real dos sinais para verificar se estão dentro da faixa normal e anule os sinais de ruído clicando no ícone de zero.

Posicione a barra de impacto ao lado da câmara de pressão. Eleve a câmara de pressão até a pressão desejada abrindo o bico do tanque de nitrogênio e, em seguida, a válvula de entrada da câmara de pressão. Zere o medidor de velocidade a laser pressionando o botão de zero e configure-o para medir a velocidade da barra de impacto posicionando a fita refletora sobre a barra de impacto atrás dos sensores a laser.

Posicione as câmaras de confinamento da amostra de forma que não impeçam o movimento da barra incidente e da barra refletida. Em seguida, coloque a barra incidente em contato com a barra transmissora para fins de calibração. Execute um teste sem amostra ligando o interruptor de disparo para a câmara de pressão na barra Stryker.

Após a calibração, posicione 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 nenhuma pré-condicionamento seja realizado na amostra, evitando carregar e descarregar a amostra várias vezes, e realize o teste somente após a conclusão dos testes. Utilize lenços descartáveis sanitários para remover os resíduos da amostra da barra incidente, da barra transmitida e da câmara de confinamento da amostra.

Descarte todos os resíduos e lenços descartáveis em sacos de segurança para resíduos biológicos. Sanitize as barras e a câmara de confinamento da amostra utilizando uma solução de limpeza com etanol 70% e lenços sanitários.

Abra o software de alta taxa da MSU para análise das ondas de Hopkins em barras. Inicie o software examinando a janela de configurações e escolha a opção de tração-compressão na aba modo para ensaio uniaxial. Além disso, selecione dois extensômetros na aba extensômetros e clique em continuar. Na janela principal, selecione a aba abrir arquivo um e navegue até os dados da onda incidente provenientes do registro do extensômetro na barra incidente; selecione a aba abrir arquivo dois para importar o registro do extensômetro da barra transmitida.

Em seguida, selecione a aba parâmetros na janela principal e insira os parâmetros físicos da configuração do teste, incluindo as dimensões da barra, fatores de tensão para deformação, posições dos extensômetros e constantes de dispersão viscoelástica. Clique em continuar. Depois, selecione a aba selecionar dados na janela principal e use as barras do cursor para reduzir o conjunto de dados apenas à quantidade de dados que contém as ondas incidente, refletida e transmitida.

Clique em continuar. Neste momento, navegue até a guia selecionar ondas na janela principal e use as barras do cursor para delimitar a onda incidente no gráfico da onda incidente, a onda refletida no gráfico da onda refletida e a onda transmitida no gráfico da onda transmitida. Em seguida, clique em continuar.

Em seguida, 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 onda. Use o cursor para arrastar as ondas incidente, refletida e transmitida para a mesma posição inicial no tempo.

Selecionando cada um individualmente. Na guia de seleção de ondas, visualize todas as ondas no gráfico de dados. Após concluir, clique em continuar no arquivo de resultados.

Salve os perfis de posição e velocidade do carregamento clicando em salvar como, utilizando um software comercial de elementos finitos ou EF. Crie um modelo de EF da configuração do SHPB. Em seguida, execute uma simulação de EF.

Verifique se as medições do extensômetro no experimento e na simulação de EF estão em bom acordo. Incorpore a amostra do biomaterial ao modelo de EF da configuração do SHPB. Atribua uma implementação tridimensional do modelo de material de variável de estado interno à amostra do biomaterial.

Calibre a curva de tensão-deformação verdadeira do experimento com a curva de tensão-deformação verdadeira do modelo ajustando os parâmetros dos modelos de variáveis de estado interno do material. Em seguida, atribua as constantes do material das variáveis de estado interno à amostra de biomaterial no modelo de elementos finitos (FE) para a configuração do SHPB. A seguir, execute a simulação de elementos finitos com a velocidade da barra de Stryker e a taxa de deformação da amostra correspondentes aos testes de SHPB na mesma taxa de deformação.

No segundo passo da calibração do modelo de EF, execute a simulação de EF com os dados do extensômetro. Software de pós-processamento do experimento SHPB, software de alta taxa da MSU. Por fim, realize uma média volumétrica da tensão na 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-deformação SHPV para o cérebro apresenta um estado de tensão mais baixo em comparação com o estado de tensão do simulador de ponto material unidimensional, que é semelhante à média do estado de tensão ao longo da linha central da amostra de elementos finitos. Isso se deve à natureza multiaxial da deformação.

Os constantes de material representativas exibidas nesta BioMAT macia foram obtidas por meio da metodologia acoplada de experimento SHPB e simulação FE. Os extensômetros virtuais de análise de elementos finitos são comparados aos extensômetros experimentais e, simultaneamente, o simulador de pontos de material e a média da linha central FE são comparados para alcançar boa concordância. Aqui, as constantes de material são variadas até que mais de duas estejam em boa concordância.

Esta figura mostra que a curva experimental de tensão-deformação verdadeira do SHPB mede, na realidade, o primeiro invariante de tensão, e não o comportamento tensão-deformação na direção do carregamento uniaxial. Portanto, o uso exclusivo dos resultados experimentais do SHPB seria incorreto se não fosse associado a uma modelagem do tipo EF para avaliar o comportamento uniaxial. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em 12 horas, se for executada corretamente.

Ao realizar este procedimento, é importante lembrar que os experimentos envolvem estados multiaxiais de tensão ao testar materiais metálicos macios.