Yöntem makalesi

Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi

DOI:

10.3791/51545

⸱

18 Mayıs 2015

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

Bu makalede

Özet

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

Bu çalışma, yumuşak biyomalzemeler (beyin, karaciğer, tendon, yağ, vs.) tek eksenli dinamik mekanik yanıtını elde etmek için bir deney birleştiğinde-sonlu eleman simülasyon metodolojisi koşuyor. Çünkü numunenin ortaya çıkan eksenli deneysel sonuçlar biyomalzemenin sonlu elemanlar analizinin iteratif optimizasyon ile simüle zaman tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon davranışı hale getirildi Split-Hopkinson Basınç Bar testlerden elde edilen şişkin.

Özet

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

Bu çalışma yüksek gerilme oranları maruz kalan yumuşak biyomalzemeler (örneğin beyin, karaciğer, tendon, yağ, vs.) mekanik davranışını incelemek için kombine deneysel ve sonlu elemanlar (FE) simülasyon yaklaşım sunuyor. Bu çalışma 100-1,500 sn gerilme oranlarını oluşturmak için Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) kullanılmaktadır -1. SHPB viskoelastik bir materyal (polikarbonat) 'dan oluşan bir vurucu çubuğu kullanılabilir. Biyo materyalin bir numunesi postmortem kısa bir süre elde SHPB testleri için hazırlanmıştır. örnek olaydan ve gönderilen çubuklar arasına yerleştirilmiş olan ve SHPB pnömatik komponentler olay bar doğru forvet çubuğunu götürmek aktive edilmiştir. Ortaya çıkan darbe olayı barda yolculuk bir basma gerilmesi dalga (yani olay dalgası) oluşturulur. Basma gerilmesi dalga olay çubuğunun sonuna ulaştığında, bir kısmı numune ileriye doğru devam etti ve (i bar bulaşan.e. iletilen dalga) diğer bir kısmı gerilme dalgası olarak olay bar iptal ederken (yani) dalga yansıtıyordu. Bu dalgalar olaydan ve iletilen çubukları monte gerilme mastar kullanılarak ölçüldü. Numunenin gerçek gerilme-deformasyon davranışı dalga yayılımı ve dinamik kuvvet denge dayalı denklem belirlendi. Numune şişti çünkü deneysel gerilme-deformasyon tepkisi doğada üç boyutlu oldu. Bu nedenle, bir hidrostatik gerilim (birinci değişmeyen) gerilme-deformasyon tepkisi üretmek için kullanıldı. Doku tek eksenli (tek boyutlu) mekanik yanıtını elde etmek için, bir yinelemeli birleştiğinde optimizasyon deney sonuçlarını ve doku için kullanılan bir iç Devlet Değişken (ISV) malzeme modeli içeriyordu Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneği FE simülasyonlarında kullanılan ISV malzeme modeli iteratif deneysel veriler, tha (yani optimize) kalibre edildiDeney ve FEA strain gage değerleri ve gerilmelerin birinci değişmez t iyi bir uyum vardı.

Giriş

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

Motivasyon

birleştiğinde Split kardinal hedefi - Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) deneyi / (vb beyin, karaciğer, tendon, yağ, gibi) yumuşak biyomalzemeler sonlu elemanlar modellemesi insan vücudu FE daha uygulanması için onların tek eksenli mekanik davranışları ayıklamak oldu zararlı mekanik yükler altında simülasyonları. İnsan vücudu Sonlu Elemanlar (FE) modeli detaylı bir insan vücudu örgü ve çeşitli insan organları için bir tarih bağımlı çok ölçekli viskoelastik-viskoplastik İç Devlet Değişken (ISV) malzeme modeli oluşur. Bu, insan vücudu modeli, yenilikçi koruyucu giysiler tasarlamak ve yolcu merkezli araç tasarım sağlamak için, yaralanma koruması için daha iyi standartlar oluşturmak için bir çerçeve için kullanılabilir.

Patlayıcı patlama ve künt darbe: yüksek oranda yaralanma iki mod yaygın insan travma gözlenmiştir. Patlayıcı silah gelen patlama hasar traumati birincil kaynağıc yaralanması (TI) ve savaş 1 önde gelen ölüm nedenidir. Patlattı olduğunda, bu patlayıcılar büyük ve ani hızlanma ve deformasyonlara üreten bir dışa yayılan şok dalgası oluşturur. Ortaya çıkan yüklerin maruz kalanların ciddi tehditler oluşturmaktadır. Anatominin herhangi bir bölümü şok dalgalarının yaralandı olmasına rağmen, endişe asal alanlar (1) yakın yere yakınlığı ve (2) kafasına nedeniyle alt ekstremite yaralanmaları normal beyin fonksiyonu ve sağkalım 2 inhibe beri 3. Bu yaralanmalar sürekli yaralanma türüne bağlı olarak, birincil, ikincil veya üçüncül yaralanmalar olarak kategorize edilebilir. Bir patlayıcı gücü, ağırlık veya boyut, dikine mesafesi, pozitif darbe süresi ve hareket ettiği orta ile karakterizedir, çünkü yeterince bu yaralanmaların 3-6 kategorize etmek zor olabilir. Kongre raporlar askeri personel patlayıcı nedeniyle yaklaşık 179,000 travmatik yaralar belirtmeksilah ve araç nedeniyle doğaya Mart 2010 2 içinden Irak ve 2000 Afganistan çöker. modern savaş yerleri, baş yaralanmaları askeri ve sivil 3 hem önde gelen bir endişe vardır.

Kenara savaş senaryoları dışında, TI otomotiv travma dahil çeşitli nedenleri vardır; rodeo, motosiklet ve ev kazaları; ve spor yaralanmaları. Örneğin, güvenlik ekipmanları ve protokolleri ilerlemelere rağmen, mekanik kaynaklı travmatik beyin hasarı (TBI) yaklaşık 1.4 milyon TBI olayları her raporları Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezi'nin (CDC) mortalite ve morbidite yaşam boyu önde gelen kaynağı olmaya devam ediyor yıl, hangi yaklaşık 50.000 ölümcüldür. Amerikan futbolu, tek başına 300.000 'den fazla TBIs her yıl 7 oluşturmaktadır. Bu tür yaralanmalarda Dul hissi, biliş ve iletişimle ilgili uzun vadeli nörolojik komplikasyonlar açısından risk altındadır. Bu zamanda, yaklaşık vardırBu kronik dezavantajları ve engelli yaşayan 5,3 milyon Amerikalı. 2000-2010 Doğrudan ve dolaylı ABD sağlık giderleri 60000000000 $ 8 olarak gerçekleşti. Ancak bu sayılar olmayan tıbbi masrafları ve kayıpları, ya da TBI hastaları destekleyen aileleri ve arkadaşları tarafından yapılan bu hesaba yok. Salt ekonomik analiz ötesinde, TBI kaynaklı sakatlık aileleri ve toplum üzerinde önemli bir yük olarak tezahür edebilir yaşam kalitesinde önemli bir azalma yaratır.

TI oluşumu, karakterizasyonu ve önlenmesi daha iyi anlaşılması için ihtiyaç açıktır. TI fikir ve TI için potansiyel risk altında olanlar için güvenlik özelliklerini maruz kalmayı azaltmak ya da artırmak için fırsat sağlamak temelinde yatan mekanizmaların biyomekanik çalışmalar. Ayrıca, TI oluşumunun genel anlayış daha ilerlemesi iyileştirilmesi sonucu daha iyi araçlarla TI tedavi tıp uzmanları sağlayan tanı yöntemleri ve ölçütleri artırabilirs ve tasarruf yaşıyor.

Yaralanma mekanizmaları daha iyi bilgi ve yaralanma geliştirme biyomekanik daha iyi anlaşılması, insan vücudu için etkili koruyucu önlemler geliştirmek için gereklidir. Tarihsel olarak, tahmin yaralanmalar yönelik simülasyonlar istihdam hesaplama kısıtlamalar yanı sıra anatomik sadakat ve malzeme modelleri engel oylandı. Tam vücut simülasyonları her vücut parçası üzerinde genel yükler odaklanmıştır, ancak vb her organ, kas, kemik, yerel gerilme, zorlanma ve hasar gözlenmemiştir. Örneğin, omuz moment modelleri belirli bir senaryo tehlikeli olup olmadığını belirlemek tablo değerleri aramak için kol, yük ve uygulamalı açı boyutlarını kullanın. Doğanın bir hesaplama hızlı tahminler için yararlı ama hasar ve yaralanma özünde yerel, özellikle de omuz elden yerel tüm yol ne oluyor yakalamak olamaz. İkincisi, FE simulations yerel bir yan yakalamak için kullanılmıştır. Bu çabaları sınırlama FEA kendisi, ama henüz patlama yaralanma yükler altında her vücut parçasının davranışını tanımlayan malzeme modelleri. Daha önce kullanılan malzeme modelleri basit malzemelerden uyarlanan ve biyolojik dokular tarafından sergilenen kompleks mekanik davranışları sayısız yakalamak için çaba değil. Bu nedenle, insan vücudundaki organlar için ISV malzeme modelleri ile yüksek sadakat hesaplama modelleri, TIS fizik ve biyomekanik araştırmak için yenilikçi koruyucu giysiler tasarlamak ve yaralanma ölçümleri için daha iyi standartlar oluşturmak en gerçekçi yolu temsil etmektedir.

Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) ve İç Devlet Değişken Arka Plan (ISV) Malzeme Modeli

Nedeniyle insan organlarının in vivo test ve geniş çaplı insan kadavra testi ile ilgili lojistik sorunları, curr ile ilgili etik sorunlarent araştırma çabası hayvan suretler çıkarılan organlardan hazırlanan örnekler kullanılarak in vitro mekanik deneyler içeren (örneğin, en sık kullanılan vekil olarak domuz). Polimer SHPB yüksek gerilme oranlarında in vitro test yumuşak biyomalzemeler için tercih edilen yöntem olmuştur. doku mikro özelliklerinden SHPB test ve ilgili doku hasarı ile ilgili bilgi alakalı deformasyon davranışları, organ mekanik açıklamaları 9-10 bizim ISV malzeme modelleri dahil edilmiştir. Bu malzeme modelleri daha sonra çeşitli yaralanmaların FEA yapmak için sanal insan vücudu modeli uygulanmaktadır. Bu süreç doğru bir başka fiziksel deney için gerek kalmadan çeşitli mekanik yükleme koşulları altında verilen organ (örneğin patlama kaynaklı, araba kazası ve künt darbe) bir yaralanmanın fizik ve doğa tahmin hedefine doğru hareket etmemizi sağlar. Doğru t açıklamak içinO insan vücudunun FE simülasyonlarında kullanılan biyomalzemelerin, SHPB deneyleri insan tis ait gerilme oranlarında dinamik mekanik yanıtları elde etmek için biyomalzemeler üzerinde yapılmıştır, mekanik özellikleri, özellikle de üst düzey suşu hızı bağımlılığını fenomenolojik. Gelişmiş Araç Sistemleri Merkezi (Cavs), Mississippi State University'de (MSU) de SHPB kurulumu genel bir bakış Şekil 1'de gösterilmiştir.

Önceki çalışmalar SHPB test onunla 12-18 ile bağlantılı üç ana kusurları sahip olduğunu göstermiştir. İlk ve en önemlisi bir başlangıç ​​başak olarak bir biyomalzeme numunenin yüksek deformasyon hızı mekanik tepki gösterir malzeme atalet etkisi vardır. Bu sorunu aşmak için, bir önceki araştırma çabaları şeklinde kuboidal için şekil veya dairesel olarak silindirik gelen numune geometrisi değiştirerek önerdi. Bu tür çalışmalardan elde edilen sonuçtaki mekanik davranışları fro farklıydıNumunenin geometrisi dalga yayılımı, dalga etkileşimleri ve mekanik yanıtı etkilenen çünkü m birbirlerine. Numune geometrisine modifikasyon Bu tür biyo materyalin mekanik tepki (eksenli ve düzgün olmayan stres durumu) hatalı temsilleri yol açmıştır. İkinci önemli kusur, bir test sırasında dinamik kuvvet dengesini korumak için yetersizlik oldu. Araştırmacılar örnek kalınlığı-çap oranı azaltılması ve / veya test öncesinde doku dondurma bu sorunu üstesinden geldi. Azaltılması iken malzeme özellikleri değişmiş olarak numune kalınlığı-çap oranı nedeniyle dokuda mevcut suyun kristalize için test prosedürü doku daha karmaşıktır donma, dinamik kuvvet denge sorunu ele aldı. Bir dizi çalışma, tam yukarıda bilmek SHPB kusurları bahsedilen ve çeşitli hayvan modellerinde (sıçan, domuz, vs.) basınç-zaman tepki elde etmek için bir şok tüpü kullanılır terk etti. Bununla birlikte, bu, birminimal- modelleri FE simülasyonları kullanılan malzeme modelleri için gerekli tek boyutlu tek eksenli gerilme-deformasyon davranışları vermeyin. Üçüncü kusur nedeniyle maddi yumuşaklık ve numune su içeriğinin miktarı nedeniyle barreling numunenin tek boyutlu gerilme-deformasyon sonuçları vermek için SHPB başarısızlığı oldu.

Dolayısıyla, SHPB yüksek gerginlik oranı verileri toplamak için uygun bir test cihazı sunuyor. Yumuşak malzemeler için, ancak, SHPB hidrostatik basınç ağırlıklı üç boyutlu gerilme durumunu üreten şişkin uyarır, ancak tek boyutlu gerilme-deformasyon verileri arzu edilir. Biz hala malzeme modeli kalibrasyonu için tek boyutlu tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon eğrisi toplamak için SHPB nasıl kullanabileceğinizi burada gösteriyor; Bununla birlikte, tek eksenli, gerçek stres-streyn eğrisi elde edilmesi için gerekli işlem karmaşıktır. Bu süreç çok eksenli deneysel veriler ve FE benzetim sonuçlarını içerir ve bu iteratif tekrar kalibre gerektirirmalzeme modeli sabitleri. Ayrıca maddi nokta simülatörü olarak bilinen MATLAB ISV malzeme modeli, tek boyutlu uygulama kalibrasyonu için tek boyutlu deneysel veri gerektirir. Yani, ISV malzeme modeli sistematik bir kalibrasyon işlemi kullanılarak optimize edilmiştir. Burada, SHPB testlerinden deneysel veriler dalga teorisi formülasyonu ve dinamik kuvvet denge (MSU Yüksek Hız Yazılımı) kapsamında kabul edildi. Zhao ve arkadaşları tarafından rapor edildiği gibi, polimerik SHPB, viskoelastik dağılım denklemlerinin viskoelastik dağılım hesaba için. (2007), MSÜ Yüksek Hız Yazılım uygulanmıştır. viskoelastik dağılım denklemleri test ederken dinamik kuvvet dengesini sağlamada yardımcı oldu. İki süreç hem verileri iyi bir uyum vardı, yani uygun bir uyumlu olduğu kabul edilinceye kadar tek boyutlu malzeme noktası simülatörü sonra bir kaç deneme-FE modelleme metodolojisi bağlamında ayarlandı. Bu veriler edildiMATLAB malzeme yanıt simülatörünün (tek boyutlu) mekanik yanıt ve SHPB FE model '(boyutlu bir) numune merkez stresi karşılaştırarak ISV modeli malzeme sabitleri ayarlamak için kullanılır. İşte FE modelin örnek stres bileşeni dalga yükleme yönünde oldu. Sonra FE modeli örneğinin üç boyutlu davranış iteratif FE simülasyonları gerçekleştirmek ve deneysel gerçek gerilme-deformasyon yanıt ile iyi korelasyon olduğu hacim ortalama yükleme yönü stres böylece ISV sabitleri ayarlanarak kalibre edildi. Böylece, deneysel veriler, FE sonuçları ve tek boyutlu ISV malzeme modeli arasındaki iteratif optimizasyon süreci yürütülmüştür. Tablo 1 ISV malzeme modeli (MSU TP Ver. 1.1) 11 değişkenlerinin bir özetini vermektedir.

Bu yöntemin en önemli unsur biyo materyalin tek boyutlu mekanik yanıtını ve malzeme parametreleri elde edilirStres devlet dışı tekdüzelik SHPB test konularını circumvents ISV malzeme modeli için. Aynı zamanda atalet etkileri kaynaklanan biyomalzemenin ilk doğrusal olmayan yanıtını ayırır ve malzemeye özgü olan mekanik bir tepki vermektedir. birleştiğinde metodoloji de numune geometrisi bir değişiklik tamamen Sınır Değer Problemi (BVP) ve numunenin yükleme yönü gerçek gerilme-zorlanma değiştirir gösterdi. Bu nedenle, yukarıda belirtilen metodoloji zararlı mekanik yükler altında insan organlarının yüksek gerginlik oranı davranışlarını simüle sonra kalibre ve için (fenomenolojik ya da mikro bazlı) herhangi bir malzeme modeli ile kullanılabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

NOT: Etik Açıklama: Geçerli çalışma kurumun araştırma politikası tektir ve kesinlikle Yasal Uygunluk (ORC) rehberlerin uygun biyo-güvenlik ve Office izler.

1. Biyomateryal Numune Alımı

  1. Laboratuvar ve / veya kurumun standart biyogüvenlik protokollerine uygun kişisel koruyucu ekipman kullanın. Domuz doku ve test işlerken kapalı parmaklı ayakkabı, uzun pantolon, bir laboratuvar önlüğü, cerrahi eldiven, koruyucu maske ve koruyucu gözlük takın.
  2. 1-2 saat otopsisi içinde yerel bir mezbahaya sağlıklı domuzların domuz doku (baş, karın veya arka bacak) edinin.
  3. Biohazard güvenlik torbalarda domuz doku saklayın ve daha sonra buzlu kap (~ 5,56-7,22 ° C) koyun.
    NOT: domuz numunesinde sıcaklık 7.22 altına düşmemesine kontrol etmek için bir termometre kullanın ° C.
  4. En yakın laboratuvara domuz doku TransportDiseksiyon için (Mississippi State Üniversitesi Veteriner Kolejinde).
  5. Veteriner Kolejinde veteriner gözetiminde, cerrahi domuz organı (beyin, karaciğer, kas, yağ veya tendon) ayıklamak ve geçici depolama (pH 7.4) için fosfat tamponlu salin (PBS) ile dolu kaplarda koyun.
  6. Buzlu soğutucu (~ 5,56-7,22 ° C) PBS kapları saklayın ve hemen numune hazırlama ve SHPB test için test tesisi taşırlar.

2. biyomateryal Numune Hazırlama

  1. PBS kaptan domuz organı çıkarın ve steril bir yüzeye yerleştirin.
  2. NOT: Her test numunesi için birincil elyaf oryantasyonu ve yerleri belirleyin. Domuz organdan test örneği incelemek için silindirik 30 mm iç çapı ölmek kullanın.
  3. Test örneği silindirik kalıbın içine sıkışmış ise, diseksiyon karşı sonuna kadar PBS enjektearacı test örneği bozulmamış dışarı kaymasına izin vermek için. Steril bir yüzey ayrı bir alan üzerinde ekstre test örneği yerleştirin.
  4. Reçete kalınlık ve boy oranına örnek kesmek için bir neşter kullanın.
    Not: boy oranı (kalınlık / çap) 0,33-0,50 (Şekil 2) ise domuz numunelerin SHPB testi için, kalınlık, 10-15 mm'dir.
  5. Üç farklı yerlerde kalınlığı ve çapını ölçmek için kaliperleri kullanın.
  6. SHPB cihaz test için hazır olana kadar taze PBS tüm test örnekleri saklayın.
    NOT: Numuneler kesim sonrası 4 saat içinde test emin olun.
  7. Enine kesitte hataları veya varyasyonlarını insizyon nedeniyle silindirik olmayan örnekleri atın. Biohazard güvenlik torbalarda atılan örnekleri yerleştirin. Tekrarlayın ilave test örnekleri elde etmek 2,2-2,6 adımları.

3. Split-Hopkinson Basınç Bar Testi

  1. M forvet bar, olay bar ve iletilen bar yerleştirinSHPB testleri için et al dikmeler.
    NOT: Barlar dokunma ve onların arayüzleri birbirleri ile uyumlu olmasının serbest hareket olduğundan emin olun. Güvenliği için iletilen çubuğu için bir stoper sağlayın.
  2. Gerilme mastar olayla yapıştırılır ve sinyal amplifikatör çubukları bulaşan bağlayın. Sinyal şartlandırma yükselticiler ve DAQ modülü bilgisayarı açın.
  3. Yüksek hızlı veri yakalama yazılımını başlatın.
  4. Onlar normal sınırlarda yalan olmadığını görmek ve sıfır simgesine tıklayarak gürültü sinyallerini geçersiz sinyallerin canlı yakalama doğrulayın.
  5. Giriş tetikleme seviyesi ve veri hızı (2 MHz).
  6. Tetikleme seviyesi elde edildikten sonra kaydetmek için yazılım başlatılamıyor.
  7. Basınç odasına bitişik forvet çubuğunu yükleyin. Bir istenen basınca basınç odasını doldurmak.
    NOT: Tipik basınç aralığı 5-25 psi.
  8. Sıfır düğmesine basarak lazer hız ölçer dışında sıfır ve forvet ba okumak için ayarlayınLazer sensörler arkasında forvet çubuğunda reflektör şerit ayarlayarak r hızı.
  9. Bu olaydan ve yansıyan çubuğun hareketini engellemeyecek şekilde örnek hapsi odasına yerleştirin. Iletilen çubuğu ile temas olay çubuğunu yerleştirin.
  10. Kalibrasyon amacıyla, forvet çubuğundaki basınç odası için tetik anahtarını çevirerek (bir numune olmadan) bir test çalıştırın.
  11. Veriler bilgisayara elde edildikten sonra, kaydetmek ve test prosedürü düzgün çalıştığından emin olmak için (bir sonraki bölümde ele alınmıştır) SHPB strain gage verilerini analiz.
  12. Olayla ile iletilen bar arasında silindirik örnek yerleştirin ve sonra örnek hapsi odasına kapatın.
    NOT: Hiçbir ön şartlandırma numune üzerinde gerçekleştirilen olduğundan emin olun.
  13. Olayla ile iletilen bar arasına yerleştirilen numune ile Görevleri 3,4-3,7 gerçekleştirin.
    NOT: Numune merkez çubuğu merkez aynı olduğundan emin olun. Proceedi önceng, ayrıca örnek sıkıştırılmış değildir, ancak daha önce ekstre ile aynı geometri kalmasını kontrol edin.
  14. Test tamamlandıktan sonra, kullanılıp atılan hijyenik bir olay bar, iletilen bar, ve numune gaz odasına örnek artığın ayrılması için bezi kullanın. Tüm enkazını ve biyolojik tehlike emniyet torbalarda siliyor.
  15. % 70 etanol temizleme solüsyonu ve sıhhi mendil kullanarak çubukları ve örnek hapsi odasına dezenfekte edin.

4. SHPB Veri Post-processing

  1. Hopkinson Bar dalgalarının analizi için "MSÜ Yüksek Hız Yazılım 19" açın.
  2. Ayarlar penceresini incelenmesi ve tek eksenli test için Mod Tab "Çekme / Basma" seçeneğini seçerek yazılımı başlayın. Ayrıca, Gages Tab "2 Göstergelerinin" seçeneğini seçin ve "Devam".
  3. Ana Penceresinde, Dosya Aç 1 sekmesini seçin ve incide üzerindeki strain gage kaydından olay dalga verilerine gidinnt bar. Iletilen bar strain gage kaydını ithalatı için Dosya Aç 2 sekmesini seçin.
  4. Ana Pencerede Parametreler sekmesini seçin ve giriş de dahil olmak üzere test kurulumu fiziksel parametreleri: bar boyutları, gerilim faktörleri, strain gage pozisyonları ve viskoelastik dağılım sabitleri zorlanma. "Devam" ı tıklayın.
  5. Ardından ana penceresinde Select Veri sekmesini seçin ve olayı içeren verilerin sadece miktarına dataset azaltmak için imleç çubuklarını kullanın, yansıyan ve dalgalar iletti. "Devam" ı tıklayın.
  6. Ardından ana penceresinde seçin Dalgalar sekmesini seçin ve Olay Dalga Grafik, Yansıyan Dalga Grafik yansıyan dalga ve Bulaşan Dalga Grafik iletilen dalga dalga olay sınırlandırmak için imleç çubuklarını kullanın. "Devam" ı tıklayın.
  7. Bundan sonra, yazılım viskoelastik dağılım 20-21 düzeltmek için izin Ana Penceresinde Doğru sekmesini seçin.
  8. Hayırw Ana Pencerede Kaydırma sekmesini seçin. Dalga Graph'ta, Dalga Select Tab tek tek her birini seçerek zaman aynı başlangıç ​​pozisyonuna yansıyan dalgalar, olayı sürüklemek için imleci kullanın ve aktarılamaz. Veri Grafik dalgaların Tümünü göster. Tamamlandıktan sonra "Devam" i tıklayın.
  9. Sonuçlar dosyasında tıklayarak yükü, yer değiştirme, konum ve hız, profiller kaydetmek "Farklı Kaydet".
  10. Hopkinson Bar testten önce ölçülen örnek boyutları kullanarak gerçek stres ve gerginlik gerçek hesaplamak için Microsoft Excel (veya başka bir elektronik tablo yazılım) geleneksel yöntemleri kullanın.

5. SHPB Sonlu Elemanlar Modelleme

  1. Ticari sonlu eleman (FE) yazılımını kullanarak, SHPB kurulum bir FE modeli oluşturmak.
    NOT: Aynı geometrileri ve malzeme özellikleri kullanın.
  2. FE simülasyonu başlatmak için forvet çubuğunun FE modeline bir ilk hız atayın.
    NOT: Hızforvet bar, belirli bir gerilme oranı 9 SHPB deneyde buna uygun olmalıdır.
  3. Olayla ile iletilen çubuklar arasına yerleştirilen bir örnek olmadan SHPB kurulum bir FE modelini oluşturun. FE simülasyonu çalıştırın.
    NOT: simüle golcü bar hız "no-numune" koşul altında deneysel forvet çubuğu hızına uygun olmalıdır. Polimer barlar için Tablo 1'de verilen malzeme özelliklerini atayın.
  4. Deney ve FE simülasyon strain gage ölçümleri (zamana karşı leke) iyi bir anlaşma olup olmadığını kontrol edin.
  5. SHPB kurulum FE modeli biyomalzeme örnek birleştirin. Biyomalzeme numune 11 ISV malzeme modeli (vumat dosya biçimi 22) üç boyutlu uygulama atayın.
  6. Çözümler yakınsama olmadığını belirlemek için sonuçları analiz sonra üç farklı örgü boyutları kullanarak ve örgü arıtma çalışması yapın.
    NOT: örgüBoyut FE modelini ihtiva hexahedral ve / veya tetrahedral elemanlarının toplam sayısına karşılık gelmektedir. Daha fazla simülasyonlar 9 sonra yakınlaşıyor düşük mesh boyutu ile FE modelini seçin.
  7. İki aşamalı FE modeli kalibrasyonunu gerçekleştirin. İlk adımda, ISV malzeme modeli uygulamak tek boyutlu olarak deneysel verileri yükleyin.
  8. ISV malzeme modelinin parametrelerini (Tablo 1) ayarlayarak modelin gerçek gerilme-şekil değiştirme eğrisi ile deney gerçek gerilme-leke eğrisini ayarlayın.
    Not: Malzeme modeli tek boyutlu ise deney SHPB verileri yapı, üç boyutlu olduğu için daha fazla tekrarlanması gereklidir.
  9. SHPB kurulumu FE modelinde biyomalzeme örnek ISV malzeme sabitleri atayın.
  10. Forvet çubuğu hızı ve örnek deformasyon gerilme oranı aynı gerilme hızında SHPB testlerine karşılık gelen FE simülasyon çalıştırın.
  11. Compaiyi anlaşma (zamana karşı suşu) için deney ve FE simülasyon strain gage ölçümlerine yeniden.
    NOT: FE simülasyonları ve deney strain gage değerleri arasında iyi bir uyum varsa, model kalibrasyon işleminin ikinci adıma geçin. Değilse, Görevler 5,7-5,11 tekrarlayın.
  12. FE modeli kalibrasyon ikinci aşamasında, FE simülasyon strain gage veri SHPB post-işleme yazılımı, MSÜ Yüksek Hız yazılımını 19-21 deneme çalıştırın.
    NOT: simüle gerçek gerilme-deformasyon tepkisi deneysel gerçek gerilme-deformasyon yanıtı karşılaştırır, sonra iki adımlı FE model kalibrasyon tamamlanmıştır. Değilse, Görevler 5,7-5,12 tekrarlayın.
  13. FE model örneğinde orta ekseni boyunca yükleme yönündeki (Σ 33) gerilme bir hacim ortalama gerçekleştirin.
    NOT: Bu stres tek boyutlu ISV malzeme modeli sonucu gerilme-deformasyon eğrisi ile iyi bir anlaşma ise, sonuç Görevler 5.7 ile elde-5,12 Tam kalibre edilir. Değilse, Görevler 5,7-5,13 tekrarlayın. ISV malzeme modelinin tek boyutlu uygulanması yoluyla yakalanan gerçek gerilme-deformasyon tepkisi SHPB kurulumunda test edildi biyomalzeme tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon tepkisini temsil eder.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

birleştirilmiş yöntemin etkinliği, Şekil 3'te örnek olarak verilmiştir. Burada beyin için SHPB deney gerilme-deformasyon tepkisi daha düşük bir gerilme durumuna olan (0.32 MPa'lık bir pik gerilme) ile karşılaştırıldığında tek boyutlu malzemenin gerilme durumuna FE örnek merkez hattı (element) ortalamasına yakındır, (0.74 pik değeri MPa) ile nokta simülatörü. Bu deformasyon, yumuşak biyomalzemeler sergi doğası nedeniyle. Gerilme oranları yüksek ve biyomalzeme dalga hızı ve gücü, malzeme talebi düzgün olm...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

çiftler SHPB deneyi ve SHPB FE modellemesi bir roman ve benzersiz tekniği sunuyor bildirilen metodoloji yüksek gerilme oranlarında biyomalzeme tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon yanıtı değerlendirmek için. Doğal dokuya özgü mekanik özellikler temin etmek için, bakım SHPB test edilmeden önce 5,56-7,22 ° C arasında biyo materyal örneği tutmak için dikkat edilmelidir. Numune 5.56 ° C altına soğutulması durumunda, doku içinde mevcut olan su buz kristalize başlar ve daha sonra dokusunun mekanik özelliklerini değiştirir. ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar bu vesileyle bu yayına ilgili tüm malzeme ile herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederim.

Teşekkürler

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

Yazarlar, bu çalışmayı destekledikleri için Mississippi Eyalet Üniversitesi'ndeki İleri Araç Sistemleri Merkezi'ne (CAVS) ve Ziraat ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü'ne teşekkür etmek isterler. Bu materyal, Sözleşme No. kapsamında ABD Ordusu TACOM Yaşam Döngüsü Komutanlığı tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. W56HZV-08-C-0236, Mississippi Eyalet Üniversitesi ile bir alt sözleşme aracılığıyla ve Simülasyon Tabanlı Güvenilirlik ve Güvenlik (SimBRS) araştırma programı için gerçekleştirildi. Ayrıca, bu materyal Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi (Enerji Bakanlığı) tarafından [DE-FC26-06NT42755] ödül numarası altında desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Son olarak, yazarlar bu araştırmadaki çabaları için Bay David Adams, Bay Michael McCollum ve Bayan Erin Colebeck'e teşekkür eder.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Yüksek basınçlı 316 paslanmaz çelik dişli boru bağlantı parçası, 1/2 erkek x 1/4 dişi boru boyutu, altıgen küçültme burcuMcMaster-Carr2
Tip 316 paslanmaz çelik dişli boru bağlantı parçası, 3/4 erkek x 1/4 dişi, altıgen azaltma burcu 150  psiMcMaster-Carr2
Kolay bakım tipi 316SS küresel vana, 316 paslanmaz çelik uçlu, 1/2" NPT dişiMcMaster-Carr2
Kolay bakım tipi 316SS küresel vana, 316 paslanmaz çelik uçlu, 3/4" NPT dişiMcMaster-Carr2
ASME kodu paslanmaz çelik açılır emniyet valfi, 1/4 NPT erkek, 300  psiMcMaster-Carr2
Hassas aşırı basınç 316SS boru bağlantı parçası, 1/2 x 1/2 boru boyutu, 1-7 / 8 "uzunluk, altıgen nipelMcMaster-Carr8
tip 316 paslanmaz çelik dişli boru bağlantı parçası, 1/2 boru boyutu, tee, 150   psiMcMaster-Carr2
Güvenlik çantalı test ölçer, polyester kasa, standart, kuru, 600  psiMcMaster-Carr2
Dijital gösterge, plastik kasa, 2-1/2" kadran, 1/4 alt bağlantı, 300  psiMcMaster-Carr2
Tip 316 paslanmaz çelik 37 derece genişletilmiş boru bağlantısı, 1/4 "tüp OD x 1/8" NPT erkek boru için adaptörMcMaster-Carr12
303 paslanmaz çelik 3/16" ID için 37 derece JIC döner bağlantı parçasıMcMaster-Carr12
Yüksek basınçlı kimyasal hortum, 3/16" ID, 0.312" OD, 3.000 psiMcMaster-Carr6
Yüksek Saflıkta Gaz Regülatörü Tek Kademeli, Azot, 0-125 psi, CGA #580McMaster-Carr2
Hortumu Pirinç Fem Bağlantı Parçaları, PTFE Hortum, 3' L, 1/4" ID, 3.600 psiMcMaster-Carr2
[header]
Aşırı Basınç 316 SS Dişli Boru Bağlantı Parçası 1/4 x 1/4 Boru Boyutu, Altıgen NipelMcMaster-Carr4
Aşırı Basınç 316 SS Dişli Boru Bağlantısı 3/4 x 3/4 Boru Boyutu, Altıgen NipelMcMaster-Carr2
Aşırı Basınç 316 SS Dişli Boru Bağlantısı 1/4 Erkek x 1/8 Dişi Boru Boyutu, Altıgen BurçMcMaster-Carr2
Standart Pirinç Sıkıştırma Borusu Bağlantı Adaptörü 1/4 "Boru OD x 1/4" NPTF Erkek BoruMcMaster-Carr4
Kobalt 1/4 in Mini Regülatör, GöstergeLowes2
1/4 "x 25 ft polietilen boruLowes2
1-1 / 2" Çap Polikarbonat (PC) ÇubukMcMaster-Carr2
LTV-35 4 Vana Mead Akışkanlar DinamiğiHareket Endüstrileri2
Pnömatik çift etkili aktüatörValtronic2
Paslanmaz Çelik Küresel Vana 1/2 "Valtronic2
Buckeye basınçlı kapBuckeye2
SR-4 Genel Amaçlı FAE-25-35SX GerinimÖlçerler Mikro Ölçüm Vishay Hassas Grup2
M-M Sinyal Koşullandırma Amplifikatörü 2310AMikro Ölçüm Vishay Hassas Grup1
Lazer ROLS-W optik sensörMonarch Instruments1
Azot Gazı, Argon ve Oksijen için ile

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. Summary and agreement statement of the First International Conference on Concussion in Sport, Vienna 2001. Recommendations for the improvement of safety and health of athletes who may suffer concussive injuries. Br J Sports Med. 36 (1), 6-10 (2002).
  3. Born, C. T. Blast trauma: the fourth weapon of mass destruction. Scand J Surg. 94 (4), 279-285 (2005).
  4. Cullis, I. G. Blast waves and how they interact with structures. J R Army Med Corps. 147, 16-26 (2001).
  5. Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., Ramsay, J. Blast Loading and Blast Effects on Structures–An Overview. Electronic Journal of Structural Engineering. 7, 76-91 (2007).
  6. Usmani, Z. Intelligent Agents in Extreme Conditions – Modeling and Simulation of Suicide Bombing for Risk Assessment. Web Intelligence and Intelligent Agents. , (2010).
  7. Guskiewicz, K. M. Cumulative effects associated with recurrent concussion in collegiate football players the NCAA Concussion Study. JAMA. 290 (19), 2549-2555 (2003).
  8. Finkelstein, E., Corso, P., Miller, T. The Incidence and Economic Burden of Injuries in the United States. , Oxford University Press. New York (NY). (2006).
  9. Prabhu, R. Coupled experiment/finite element analysis on the mechanical response of porcine brain under high strain rates. JMech Behav Biomed Mater. 4 (7), 1067-1080 (2011).
  10. Horstemeyer, M. F. Integrated Computational Materials Engineering (ICME): Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design with Science. , Wiley Press. (2012).
  11. Bouvard, J. L. A general inelastic internal state variable model for amorphous glassy polymers. Acta Mechanica. 213, 1-2 (2010).
  12. Kenner, V. H., Goldsmith, W. Impact on a simple physical model of the head. J Biomech. 6 (1), 1-11 (1973).
  13. Khalil, T. B., Viano, D. C., Smith, D. L. Experimental analysis of the vibrational characteristics of the human skull. J. Sound Vib. 63 (3), 351-376 (1979).
  14. Pervin, F., Chen, W. W. Dynamic mechanical response of bovine gray matter and white matter brain tissues under compression. J Biomech. 42 (6), 731-735 (2009).
  15. Prevost, T. P., Balakrishnan, A., Suresh, S., Socrate, S. Biomechnics of brain tissue. Acta Biomater. 7 (1), 83-95 (2011).
  16. Saraf, H., Ramesh, K. T., Lennon, A. M., Merkle, A. C., Roberts, J. C. Mechanical properties of soft human tissues under dynamic loading.J. J Biomech. 40 (9), 1960-1967 (2007).
  17. Van Sligtenhorst, C., Cronin, D. S., Wayne Brodland, G. High strain rate compressive properties of bovine muscle tissue determined using a split Hopkinson bar apparatus. J Biomech. 39 (10), 1852-1858 (2006).
  18. Song, B., Chen, W., Ge, Y., Weerasooriya, Y. Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle. J Biomech. 40 (13), 2999-3005 (2007).
  19. MSU JHBT Data Processing and MSU High Rate Software Manual. , Available from: https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip (2014).
  20. Zhao, H., Gary, G. On the use of SHPB techniques to determine the dynamic behavior of materials in the range of small strains. Int J Solids Struct. 33 (23), 3363-3375 (1996).
  21. Zhao, H., Gary, G., Klepaczko, J. R. On the use of a viscoelastic split hopkinson pressure bar. Int J Impact Eng. 19 (4), 319-330 (1997).
  22. MSU TP Ver 1.1.. , Available from: https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip (2014).
  23. Gray, G. T., Blumenthal, W. R. ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation. 8, ASM International. 488-496 (2000).
  24. Dharan, C. K. H., Hauser, F. E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates. Exp. Mech. 10 (9), 370-376 (1970).
  25. Chen, J., Priddy, L. B., Prabhu, R., Marin, E. B., Horstemeyer, M. F., Williams, L. N., Liao, J. Traumatic Injury: Mechanical Response of Porcine Liver Tissue under High Strain Rate Compression Testing. Proceedings of the ASME 2009 Summer Bioengineering Conference (SBC2009). , Resort at Squaw Creek. Lake Tahoe, CA, USA. (2009).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler