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

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Prabhu, R., Whittington, W. R., Patnaik, S. S., Mao, Y., Begonia, M. T., Williams, L. N., Liao, J., Horstemeyer, M. F. A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials. J. Vis. Exp. (99), e51545, doi:10.3791/51545 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 olmayan deformasyona atalet ve stres dalga yayılımı düşük olduğu için. Bu olgu merkezinde örnek kenarlarında büyük ve en olduğunu. Örnekler silindirler Çünkü, numunenin merkez kenarları aksine düzgün olmayan radyal genişleme yerini alamaz. Bu nedenle, belli bir süre sonra, numune merkez yakından tek eksenli olarak yaklaşık olarak hesaplanabilir.

Halka-up "nedeniyle bazı ilk sonra tek eksenli deformasyon sergileyen örnek merkez gözlem için>" ent "deney düzeneği yakalamak için zaman, FEA sonra mümkün değildir merkez veri ayıklamak için de kullanılabilir. Burada" halka -up "zaman stres devlet dengesi elde edilir bir SHPB testin başlangıç ​​aşamasında zaman aralığı olduğunu. Bunu yapmak için, sanal FEA gerilme ölçer deneysel deformasyon ölçüm aletlerinin karşılaştırıldığında, ve iyi bir anlaşma olana kadar malzeme sabitleri çeşitlidir vardır ulaştı. Tablo 2 birleştiğinde SHPB deneme-FE simülasyon metodolojisi yoluyla elde edilen beyin için temsili malzeme sabitleri verir. Ayrıca, Şekil 4 SHPB deneysel gerçek gerilme-deformasyon eğrisi aslında oldukça tek eksenli yükleme yerine, stres ilk değişmeyen ölçer gösterir doğrultusu gerilme-deformasyon davranışı. Çoğu diğer çalışmaların 12-18 sadece deney sonuçlarını sunmak iken, Şekil3 biyomalzeme mekanik yanıtın böyle bir temsili gerçek dünya sınır değer problemlerinin (BVPs) FE modelleme simülasyonu için ilgili tek eksenli cevabı, hafife olacağını gösteriyor. Bu tek eksenli davranışlarını değerlendirmek için FE-tipi modelleme ile birleştiğinde değilse Dolayısıyla, SHPB deneysel sonucun bir kullanım yalnız hatalı olacaktır.

Şekil 1
Şekil 1:.. Domuz beyin örneklerini test etmek için kullanılan özelleştirilmiş polimer Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) genel bir bakış Bu rakam Prabhu ve ark 2011 9 ila modifiye edilmiştir.

Şekil 2,
Şekil 2: (a), domuz beyninden, taze (<3 saat sonra-mortem) örnek ekstraksiyon ve(B) 30 mm iç çapı kullanılarak örnek çıkarma ast-üst yönde ölür. Bu rakam Prabhu ve diğ., 2011, 9 modifiye edilmiştir.

Şekil 3,
Şekil 3:. Deney için Σ 33 Karşılaştırılması, MATLAB Montaj Rutin (malzeme noktası simülatörü), FE 750 sn, DAVID Viskoelastik ile ortalama veri ve FE suşu önlemleri numune -1 deneysel olayda hata bantları / dalgalar belirsizliği temsil yansıtıyordu. Bu rakam Prabhu ve diğ., 2011, 9 modifiye edilmiştir.

Şekil 4,
Şekil 4: Sonlu Elemanlar (FE) simülasyon Σ Mises, Σ 11, Σ 22 Arsalar,31; 33, 12 Σ, Σ 23, Basınç (İlk Stres Değişmeyen) ve Σ 13 ve deney silindirik numune için deformasyon sırasında, 750 saniye -1. Burada sıkıştırma gerilmeleri negatiftir. Bu rakam Prabhu ve diğ., 2011, 9 modifiye edilmiştir.

Şekil 5,
Şekil 5:.. Polimerik Split-Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) kurulum şematik Bu rakam Prabhu ve ark 2011 9 ila modifiye edilmiştir.

Şekil 6,
Şekil 6: (c) olay-yansıyan bar close-up ile birlikte SHPB testler ve (b) FE modeli simülasyon için kurulmuş (a) deneysel şematikarayüz. Bu FE modeli simülasyonu herhangi bir örnek olmadan gerçekleştirildi. Simülasyonları için R ve R β α katsayıları sönümleme FE modeli 3.0 ve 1.2 tutuldu.

Şekil 7,
Şekil 7:. Deney ve domuz beyin numune sıkıştırma Sonlu Elemanlar (FE) simülasyon Σ 33 Karşılaştırılması, 6,5 msn -1 FE simülasyon σ 33 MSÜ Yüksek Strain Rate yazılımı aracılığıyla FE simülasyon gerilme ölçümleri işleme posta yoluyla hesaplanmıştır.

Şekil 8,
Şekil 8: Split-Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) testler için ayarlanmış (a) Sonlu Elemanlar (FE), (b) FE simülasyon numune boyutları şematik,bir numune, ve (c) bir numune ile SHPB kurulum genel bir bakış ile. Simülasyonları için R ve R β α katsayıları sönümleme FE modeli 3.0 ve 1.2 tutuldu. Bu rakam Prabhu ve diğ., 2011, 9 modifiye edilmiştir.

Şekil 9,
Şekil 9: SHPB deney ve FE simülasyonu için yumuşak biyolojik malzemelerin gerçek gerilme-şekil değiştirme yanıtları iki kat korelasyon şematik.

Şekil 10,
Şekil 10. (A) olayın karşılaştırılması ve deney ve Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) ve (b) SHPB deney ve Finit için Split-Hopkinson Basınç Bar (SHPB) strain ölçümlerini yansıyan750 sn domuz beyin numune sıkıştırma e Elemanı (FE) simülasyon Σ 33 -1. FE simülasyon Σ 33 DAVID Viskoelastik yazılımı aracılığıyla FE simülasyon gerilme ölçümleri işleme posta yoluyla hesaplanmıştır. Deneysel olayda hata bantları / yansıyan dalgalar belirsizliği temsil etti. Bu rakam Prabhu ve diğ., 2011, 9 modifiye edilmiştir.

Tablo 1

Tablo 2

Tablo 1:... MSU TP 1.1 değişkenler ve model denklemlerin Özeti Bu tablo Prabhu ve ark 2011 9 ve Bouvard ark 2010, 11 den modifiye edilmiştir.

Model Sabitler Değerler
μ (MPa) 25.00
K (Mpa) 12.492,00
γ vo (sn -1) 100.000,00
m 1.00
Y, O (MPa) 8.20
α p 0
λ L 5.00
μ R 0.05
R s1 1.40
h o 47,21
x o 1 0.75
x * oturdu 0,01
x * o 1.20
g o 0.30
Cı κ 1 (MPa) 0.40
h 1 0
E o s2 0
e s2 oturdu 0.40
Cı κ 2 (MPa) 0

Tablo 2: DeğerlerMSU TP 1.1 viskoplastisite niceliklerinin modeli kullanılarak beyin malzeme için malzeme sabitleri. Bu tablo Prabhu ve diğ., 2011 9 ila modifiye edilmiştir.

Forvet Bar Olay bar İletilen Bar
Malzeme 1-1 / 2 "Polikarbonat (PC) çubuk * 1-1 / 2 "Polikarbonat (PC) çubuk * 1-1 / 2 "Polikarbonat (PC) çubuk *
Yoğunluk (kg / m3) 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3 1.220 × 10 3
Çap (m) 1,285 x 10 -3 3,810 × 10 -2 3,810 x 10 -3
Uzunluk (m) 7.620 × 10 -1 2,438 1,219

* McMaster-Carr TM 1-1 / 2 "çubuk (McMaster-Carr TM, Chicago, IL, USA).

Tablo 3:.. Split-Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) kurulum kullanılan polimerik barlar Boyutları ve malzeme özellikleri Bu tablo Prabhu ve ark 2011 9 ila modifiye edilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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. Diğer araştırmacılar 15-18 mekanik bozulmadan korunması amacıyla örnek dondurulmuş olmasına rağmen, sonuçlar SHPB test verimi önemli ölçüde farklı mekanik yanıtlarından bunların aldı. Dahası, Van Ee ve Myers 23 tarafından rapor 5 saat içinde test yumuşak biyomalzemeler otopsi en iyi deneysel sonuçlar vermiştir sonrası gösterdi. Buna ek olarak, PBS çözeltisi st için seçildiCevher biyo materyal örnekleri ve silindirik örnekler olarak osmolarite ve iyon konsantrasyonu, biyolojik sıvıları 9 benzer çünkü.

Yumuşak malzemeler, optimum örnek en boy oranı, veya çapı örnek kalınlığının oranı yüksek gerilme oranı testi ASM El Kitabı'nda Gray ve Blumenthal 24 ile çalışmalara dayanarak, biyomalzeme varlığın türüne bağlı olarak 0.5 veya daha az olduğu belirlenmiştir Test edilen (domuz beyin, karaciğer, tendon ya da yağ). Gri ve Blumenthal 24 0.5 daha bir boy oranı daha sonra ile numuneler SHPB testi sırasında dinamik kuvvet dengesini karşılamak olmadığını yaptıkları çalışmada gözlenen. Örnek çıkarma biyomalzeme uzun, silindirik bir parça oluşturmak için üstün-aşağı yönde biyo materyal incelemek için paslanmaz çelik kalıp kullanarak başladı. Bir cerrahi neşter sonra birden fazla silindir biçiminde test örnekleri (Şekil 2) elde edildi, uzun bir silindirden 15 mm kalınlığında bir numune kesmek için kullanılmıştır. örnekNumunenin üstün tarafına yakın normalde organın yüzey konturu (üstün veya üst yüzey) ile karakterize edilmiştir. Örneğin, bir beyin numune beyin sulkuslar disseke ve zaman giruslar üst yüzeyini karakterize. İşte bakımı cerrahi neşter "düzensiz" üstün yüzey incising elde edildi yüzeyin, düzgünlüğünü sağlamak için alınmıştır. Genel olarak, numunelerin kalınlığı varyasyonları ortalama numune kalınlığının% 3 gelen en az 0.5 mm idi. Numuneler kalınlığında değişiklik% 3'den daha az olarak muntazam bir kalınlığa sahip olduğu kabul edilmiştir. Biyomalzeme Tedarik 1 saat altında tamamlandı ve tüm SHPB testleri kurban 4 saat sonra altında gerçekleştirilmiştir.

SHPB gerilme dalga veriler olay ve iletilen çubuğuna tespit deformasyon ölçüm aletlerinin bir dizi kaydedilmiştir. Burada tarif edilen test kurulumu tradit yerine polimerik çubukları kullanılmaktadırbunlar uğratarak metal çubuklar, bir düşük gürültü tabanı 25 üretmek için gözlenmiştir. SHPB polimerik barlar 'malzeme ve boyutları ayrıntılı bir listesi 3. Ön biyomateryalin analiz Tablo verilmiştir, SHPB cihaz kalibre ve "no-sample" bir dizi deney kullanılarak doğrulanmıştır. Bu deneyler olayın düzgün işleyişini ve iletilen çubuk gerilme mastar doğrulamak ve metal muhafazaları, deformasyon ölçüm aletlerinin veya DAQ sistemi tarafından tanıtılan herhangi bir gürültü ya da girişimi değerlendirmek için görev yaptı. Tarafından görev SHPB hızla forvet çubuğunu hızlandırmak için pnömatik aktüatör aracılığıyla azot sıkıştırılmış Salıcı. forvet çubuğu daha sonra olay bar ve olay çubuğu üzerinden yayılan bu etkinin yarattığı basınç stres dalgası etkiledi. Stres dalgası olay çubuğunun sonuna ulaştığında, ilgili kinetik enerji inci bir yansıyan çekme gerilmesi dalgası olarak tezahür bir kısmı ile bölündüdent bar ve sonraki medyaya aktarılan bir basma gerilmesi dalgası olarak tezahür kalan enerji. "No-numune" test basınç dalgası iletilen çubuğuna olaydan doğrudan taşımak için izin verirken numune test kurulumu ise, basınç dalga numunenin içine ve daha sonra iletilen çubuğuna gitti. Stres dalgaları burada olay bar, numune içinde farklı basınçlar üretilen ve bar iletilir ve bu baskılar SHPB deneylerinde gözlenen gerilme oranlarının aralığını simüle etmek için sınır koşulları olarak görev kaydedilmiş.

SHPB testlerinin FE modelleme deney cihazı doğrulama edilene benzer bir şekilde, iki etap gerekir. Aygıtın kendisinin FE modeli üç polimer çubuklar 2391 MPa arasında bir Young modülü ve 0,36 arasında bir Poisson oranı ile elastik malzemenin özelliklerini tayin edildiği "no Örnek" durumda (Şekil 6) için kalibre edilmiştir. In <Güçlü> Şekil 6, negatif z ekseni gelen sıkışma stresi gösteren σ 33 ile yükleme yönünü ifade eder. Bu kalibrasyon polimerik çubuklar uygun malzeme özellikleri ve FE modelinde bu strain gage ölçümleri "no-numune" davadan sonuçlara (Şekil 7) kıyaslanabilir sahip olmasını sağladı. Aparat FE modeli doğrulandı sonra, biyomalzeme numune eklendi ve "örnek" test durumda kalibrasyon, doğrulama ve onaylama süreci (Şekil 7) tabi tutuldu. Bizim örgü (FE modeli doğrulama) eleman boyutunun uygunluğu bir örgü yakınsama yaklaşımı kullanılarak test edildi. Aynı geometri Ağlar giderek daha küçük elemanlar, bir dizi ile inşa edilmiştir; kafes 4703 3111000 toplam elementlerden boyutu değişiyordu. Bu yakınsama çalışması 12.000 elemanlarının veya daha fazla kafes ve böylece temsil benzer sonuçlar vermiştir belirttiyakınsama asgari eşik. Bu çalışma aynı zamanda, genel olarak biyomalzeme tarafından sergilenen karmaşık malzeme davranışları açıklayan yeteneğine sahip bir malzeme modeli (MSU TP Ver. 1.1) kullanılır. Burada, malzeme modeli tarih etkileri ve şu anda beynin 9 ve karaciğer 26. maddi tepkilerini tanımlamak için kullanılıyor gerginlik oranı bağımlılığı ile birlikte amorf malzemelerin viskoelastik-viskoplastik yanıtları yakalar. esnek ve esnek olmayan yanıtlar Tablo 1'de özetlenmiştir kurucu ilişkiler bir dizi kullanarak karakterize edilmiştir. Bu denklemler modeli ifade ve Steady ile ilişkili dinamik veya anlık malzeme yanıtı yanı sıra uzun vadeli davranışı ile ilişkili kısa vadeli davranışını uzlaştırmak için izin Devlet Malzeme tepkiler. modeli aynı zamanda ISV kullanımı yoluyla biyomalzeme mikro değişikliklere ilişkin geçmiş etkileri içerir yeteneği sağlar.

FE modeli KALİBR edildiadım bir dizi baskı (Şekil 9). SHPB deneysel veriler maddi nokta simülatörü kullanarak ISV kurucu modeli kalibre etmek için kullanılmıştır. Ardından, deneysel ve FEA strain gage verileri iyi bir anlaşma (Şekil 9) teyit edilmiştir kadar her iki muayene edildi. Sonraki, SHPB testler ve FE simülasyonlar strain gage ölçümleri (Şekil 10) karşılaştırıldı. Korelasyonlar SHPB sistemi ve numunenin mekanik cevap soy ölçer ölçümleri belirlenmesinde elde edilmiştir. Bu SHPB deneyler ve FE simülasyonları hem üç boyutlu gerilme durumunu vermiştir ise kalibrasyon sırasında malzeme noktası simülatörü tek boyutlu bir stres durumunu vermiştir işaret edilmelidir. değişen gerilme durumları σ 33 karşılık gelen farklılıklar (Şekil 10) üretmiştir. malzeme modeli sabitleri SHPB testlerinden σ 33 kadar optimize edilmiştir FE simul gelen σ 33 eşleştirilmişations. Deneysel ve FE strain gage sonuçları MSÜ yüksek oranda yazılımı aracılığıyla deneysel ve sonlu elemanlar strain gage verilerinin işlenmesi ile elde edilen üç boyutlu gerilme devletler ile birlikte iyi bir uyum vardı kadar burada optimizasyon süreci iteratif gerçekleştirildi. Buna ek olarak, tekrarlı optimizasyonu da tek boyutlu malzeme noktası simülatörü ve tek boyutlu FE merkez σ 33 iyi anlaşma da vardı numune şekilde yürütülmüştür.

Malzeme nokta simülatörü ile elde edilen sonuçlanan tek boyutlu gerçek gerilme-deformasyon davranışı daha sonra yüksek gerilme oranlarında SHPB testleri ile elde edilen bir biyomalzeme eşdeğer tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon tepkisini temsil eder. Özetle, yukarıda belirtilen metodoloji FE simülasyon aracını kullanarak tek eksenli deney sonucu elde etmek için etkili bir yol sağlar. birleştiğinde SHPB deneme-FE simülasyon theori ilgili de ortadan kalkar belirsizliklergerilme-şekil değiştirme tepkisi o kadar göstererek atalet etkileri üzerine es biyomateryalde içsel oldu. Son olarak, örnek geometri değişikliklerinin etkileri (dairesel karşı silindirik) sürdü sözde eylemsizlik etkisi inkâr minimal etkiye sahip olduğu gözlenmiştir "İlk başak." Bu metodolojinin kullanımı yumuşak biyomalzeme sınırlıdır ve zaman alıcı olduğunu. Ayrıca, bir ISV malzeme modeli ile SHPB deney ve SHPB FE model bağlama karmaşıktır. Bununla birlikte, bu yöntemin başlıca avantajı, elde edilen malzeme sabitleri ve ISV model, çeşitli mekanik hasar senaryoları simüle etmek için kullanılabilir olmasıdır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

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

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High pressure 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 male x 1/4 female pipe size, hex reducing bushing McMaster-Carr 2
Type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 3/4 male x 1/4 female, hex reducing bushing 150 psi McMaster-Carr 2
Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 1/2" NPT female McMaster-Carr 2
Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 3/4" NPT female McMaster-Carr 2
ASME-code stainless steel pop-safety valve, 1/4 NPT male, 300 psi McMaster-Carr 2
Precision extreme-pressure 316SS pipe fitting, 1/2 x 1/2 pipe size, 1-7/8" length, hex nipple McMaster-Carr 8
type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 pipe size, tee, 150 psi McMaster-Carr 2
Test gauge with safety case, polyester case, standard, dry, 600 psi McMaster-Carr 2
Digital gauge, plastic case, 2-1/2" dial, 1/4 bottom connection, 300 psi McMaster-Carr 2
Type 316 stainless steel 37 degree flared tube fitting, adapter for 1/4" tube OD x 1/8" NPT male pipe McMaster-Carr 12
303 stainless steel 37 degree JIC swivel fitting for 3/16" ID McMaster-Carr 12
High-pressure chemical hose, 3/16" ID, 0.312" OD, 3,000 psi McMaster-Carr 6
High-Purity Gas Regulator Single-Stage, Nitrogen, 0-125 psi, CGA #580 McMaster-Carr 2
Hose for Nitrogen Gas, Argon, and Oxygen Brass Fem Fittings, PTFE Hose, 3' L, 1/4" ID, 3,600 psi McMaster-Carr 2
Name Company Catalog Number Comments
Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 x 1/4 Pipe Size, Hex Nipple McMaster-Carr 4
Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 3/4 x 3/4 Pipe Size, Hex Nipple McMaster-Carr 2
Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 Male x 1/8 Female Pipe Size, Hex Bushing McMaster-Carr 2
Standard Brass Compression Tube Fitting Adapter for 1/4" Tube OD x 1/4" NPTF Male Pipe McMaster-Carr 4
Kobalt 1/4 in Mini Regulator with Gauge Lowes 2
1/4" x 25 ft polyethylene tubing Lowes 2
1-1/2" Diameter Polycarbonate (PC) Rod McMaster-Carr 2
LTV-35 4-Way Valve Mead Fluid Dynamics Motion Industries 2
Pneumatic double action actuator Valtronic 2
Stainless Steel Ball Valve 1/2" Valtronic 2
Buckeye pressure vessel Buckeye 2
SR-4 General Purpose FAE-25-35SX Strain Gages Micro-Measurement Vishay Precision Group 2
M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A Micro-Measurement Vishay Precision Group 1
Laser ROLS-W optical sensor Monarch Instruments 1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics