一种用于评估软生物材料高应变率力学响应的耦合实验-有限元建模方法

本实验的总体目标是获取被测软生物材料在单轴高应变率条件下的真实应力-应变响应。首先，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对脑组织样品进行测试，获得其真实应力-应变实验数据；随后，利用该实验数据标定材料模型的一维形式。最后，通过有限元（FE）模拟SHPB实验装置，评估样品在平均加载方向上的应力及中心线应力。

最后一步是迭代比较一维材料模型拟合结果与有限元模拟的中心线应力，以及三维有限元加载方向的应力与实验测得的真实应力-应变响应，直至上述结果之间达到良好一致性。最终，通过耦合实验与有限元方法表明，可利用分离式霍普金森压杆（SHPB）获取软生物材料的单轴真实应力-应变响应。相较于冲击管试验等现有方法，该技术的主要优势在于能够表征软生物材料在高应变率下的单轴力学响应。

该技术的应用前景包括通过虚拟人体建模来诊断创伤性脑损伤。因为当前方法获得的数据能够准确捕捉由头部创伤引起局部损伤和组织破坏。我们最初在将脑组织高应变率实验数据与甲状腺实验及建模结果进行关联研究时，提出了该方法的构想。本次实验操作将由兽医博士Jim Cooley、研究生Soro Patnaik和研究助理Wilburn Wittington演示。在兽医的监督下，外科手术提取猪的脑、肝、肌肉、脂肪或肌腱等器官。

然后将其放入盛有磷酸盐缓冲液（PBS）的容器中进行临时保存。将装有PBS的容器置于冰盒中，并立即转运至检测实验室，以进行样品制备和分离式霍普金森压杆（SHPB）测试。到达检测实验室后，从PBS容器中取出猪器官，并放置于无菌表面上。

确定每个测试样本的主要纤维取向和位置。然后使用内径为30毫米的圆柱形染色工具从猪器官上分离出测试样本。接下来，使用支架将样本修剪至规定的厚度和长宽比，以用于猪组织样本的SHPB测试。

厚度为10至15毫米，而长径比为0.33至0.5。使用卡尺在三个不同位置测量厚度和直径。将撞击杆、入射杆和透射杆放置于SHPV测试用的金属延伸部分中。

确保杆件触碰时可自由移动，且各接口相互对齐。为透射杆配备止动装置以确保安全。将应变片连接至入射杆和透射杆，并接入信号放大器。

打开信号调理放大器和数据采集模块计算机，然后初始化高速数据采集软件。验证信号的实时采集情况，确认其是否处于正常范围内，并通过点击归零图标消除噪声信号。

将冲头杆安装至压力室旁边。打开氮气罐的喷嘴，然后打开压力室的进气阀，使压力室达到所需压力。按下归零按钮，将激光测速仪归零，并通过设置冲头杆上的反射条，使测速仪读取冲头杆的速度，反射条位于激光传感器后方。

放置样品约束腔，确保其不妨碍入射杆和透射杆的运动。然后将入射杆与透射杆接触，用于校准。通过打开Stryker杆上压力腔的触发开关，运行一次无样品的测试。

校准后，将圆柱形样品置于入射杆和透射杆之间，然后关闭样品 confinement chamber（样品密闭腔）。确保避免对样品进行多次加载和卸载，以免造成预加载影响，测试完成后立即进行试验。使用一次性清洁湿巾清除入射杆、透射杆及样品密闭腔内的样品残渣。

将所有废弃物和擦拭材料丢弃至生物危害安全袋中。使用70%乙醇清洁液和卫生湿巾对栏杆和样品封闭室进行消毒。

打开MSU高速率软件以分析Hopkins杆中的波。通过检查设置窗口开始软件操作，在模式选项卡中选择单轴测试的拉伸-压缩选项。同时，在引伸计选项卡中选择两个引伸计，然后单击继续。在主窗口中，选择“打开文件一”选项卡，并导航至入射杆上应变片记录的入射波数据；选择“打开文件二”选项卡以导入透射杆的应变片记录。

接下来，在主窗口中选择“参数”选项卡，并输入测试装置的物理参数，包括杆的尺寸、电压-应变转换系数、应变片位置以及粘弹性弥散常数。点击继续。然后在主窗口中选择“选择数据”选项卡，并使用光标条将数据集缩减至仅包含入射波、反射波和透射波的数据量。

单击继续。此时，转到主窗口中的“选择波”选项卡，使用光标条在入射波图中限定入射波，在反射波图中限定反射波，在透射波图中限定透射波。然后单击继续。

然后，在主窗口中选择正确的选项卡，以允许软件对粘弹性色散进行校正。接着在主窗口的波形图中选择“平移”选项卡。使用光标拖动入射波、反射波和透射波，使它们在时间上对齐到相同的初始位置。

通过逐一选择每个波形。在波形选择选项卡中，查看数据图中的所有波形。完成后，点击结果文件中的“继续”按钮。

通过使用商业有限元（FE）软件的“另存为”功能，保存载荷施加位置和速度曲线。建立SHPB装置的有限元模型，然后运行有限元仿真。

验证实验和有限元模拟中的应变片测量结果是否吻合良好。将生物材料样品纳入SHPB装置的有限元模型中。为生物材料样品指定一个三维内变量状态材料模型的实现。

通过调整内变量材料模型参数，将实验的真实应力-应变曲线与模型的真实应力-应变曲线进行校准。然后将内变量材料常数赋给有限元模型中SHPB装置的生物材料样本。接下来，在与SHPB试验相同应变率条件下，使用Stryker杆速度和样本变形应变率运行有限元仿真。

在有限元模型校准的第二步中，运行有限元仿真以获取应变片数据。使用SHPB实验后处理软件MSU高速软件。最后，对有限元模型试样中心线单元的加载方向应力进行体积平均。

此处展示了耦合方法的有效性。脑组织的SHPV实验应力-应变响应相较于一维材料点模拟器的应力状态处于较低的应力水平，后者类似于有限元样本中心线应力状态的平均值。这是由于变形具有多轴性质所致。

此处所示的软性BioMAT材料参数是通过耦合SHPB实验与有限元（FE）模拟方法获得的脑组织代表性材料常数。将虚拟有限元分析应变片结果与实验应变片数据进行对比，同时将材料点模拟器结果与有限元中心线平均值进行比较，以实现良好的一致性。在此过程中，不断调整材料常数，直至多个参数均达到良好匹配。

该图表明，SHPB 实验测得的真实应力-应变曲线实际上测量的是应力的第一不变量，而非单轴加载方向的应力-应变行为。因此，若不结合有限元（FE）类建模来评估单轴行为，单独使用 SHPB 实验结果将会导致错误。一旦掌握，若操作得当，该技术可在 12 小时内完成。

在进行该实验操作时，必须注意，测试软金属丝材料时，实验会受到多轴应力的影响。