机翼形脑代孕体在冲击波载荷下的变形

由 ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 15:50
文章英文标题
Deformation of an airfoil-shaped brain surrogate under shock wave loading
正文
在军事行动中，简易爆炸装置( IED )增加了爆炸性颅脑损伤( bTBI )的发生率，冲击波是在简易爆炸装置爆炸后产生的。这种冲击波通过大气传播，可能引起bTBI。因此，bTBI的研究受到了更多的关注，因为对这种损伤的机制还不完全清楚。为了更好地保护和治疗bTBI，必须进一步研究冲击波暴露引起的软材料(如大脑和大脑替代材料)变形。然而，软材料在受到来自冲击波暴露的高应变率作用下的动态力学行为仍然未知。因此，本文采用实验的方法研究了冲击波与生物材料聚二甲基硅氧烷( PDMS )无侧限脑替代物之间的相互作用，固化剂与基材的1：70比例决定了PDMS的刚度( Sylgard 184，Dow Corning Corporation )。拉伸的NACA2414 (上翼面)几何形状被用来类似猪脑的形状。应用数字图像相关( DIC )技术测量冲击波暴露后脑替代体表面的形变。用激波管制造冲击波，压力传感器测量大脑代孕体附近的压力。利用ANSYS Workbench对1：70翼型PDMS进行了瞬态结构分析，在应变速率为6 × 103 s-1的条件下，预测了PDMS的弹性模量，发现由于冲击波的作用，PDMS表面发生了压缩和凸起。在半环区发现负压，为突出原因。脑代孕体的振荡，由于冲击波的加载，被发现。振荡的频率不依赖于几何形状。本工作将为描述软材料因冲击波加载而产生的动力学行为的有限数据增添新的内容。
文章内容（英文）
Improvised explosive devices (IEDs), during military operations, has increased the incidence of blast-induced traumatic brain injuries (bTBI). The shock wave is created following detonation of the IED. This shock wave propagates through the atmosphere and may cause bTBI. As a result, bTBI research has gained increased attention since this injury's mechanism is not thoroughly understood. To develop better protection and treatment against bTBI, further studies of soft material (e.g. brain and brain surrogate) deformation due to shock wave exposure are essential. However, the dynamic mechanical behavior of soft materials, subjected to high strain rates from shock wave exposure, remains unknown. Thus, an experimental approach was applied to study the interaction between the shock wave and an unconfined brain surrogate fabricated from a biomaterial (i.e. polydimethylsiloxane (PDMS)). The 1:70 ratio of curing agent-to-base determined the stiffness of the PDMS (Sylgard 184, Dow Corning Corporation). A stretched NACA 2414 (upper airfoil surface) geometry was utilized to resemble the shape of a porcine brain. Digital image correlation (DIC) technique was applied to measure the deformation on the brain surrogate's surface following shock wave exposure. A shock tube was utilized to create the shock wave and pressure transducers measured the pressure in the vicinity of the brain surrogate. A transient structural analysis using ANSYS Workbench was performed to predict the elastic modulus of 1:70 airfoil-shaped PDMS, at a strain rate on the order of 6 × 10\u003csup\u003e3\u003c/sup\u003e s\u003csup\u003e−1\u003c/sup\u003e. Both compression and protrusion of the PDMS surface were found due to the shock wave exposure. Negative pressure was found in a semi-ring area, which was the cause of protrusion. Oscillation of the brain surrogate, due to the shock wave loading, was found. The frequency of oscillation does not depend on the geometry. This work will add to the limited data describing the dynamic behavior of soft materials due to shock wave loading.H
来源出处
Journal|[J]Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials2021. PP 104513-
DOI
https://doi.org/10.1016/J.JMBBM.2021.104513

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