ANALYSIS OF IMPACT OF EXPERIMENT REALISATION ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF BIOMATERIALS
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Dizertační práce se zabývá věrohodností mechanického testování měkkých biologických tkání a predikčními schopnostmi různých modelů materiálů. Obě oblasti byly zkoumány užitím metody konečných prvků. První část práce je věnována úvodu do problému a popisu měkkých biologických tkání, které s problémem souvisí, a rešerši nynějšího způsobu jejich mechanického testování. Druhá část práce se zabývá hledáním optimálního nastavení experimentálního zařízení za použití počítačového modelování pomocí virtuální simulace mechanických testů. Výsledky analýzy potvrdily, že dvě úzké svorky po délce hrany, stejně jako běžně používané háčky, jsou použitelné pro dvouosé tahové zkoušky různých měkkých tkání za použití čtvercového vzorku. Použití svorek je proto časově úsporná, jednoduchá a spolehlivá alternativa, která není podřadná použití háčků. V práci byla rovněž provedena analýza, jejímž výsledkem jsou doporučení ohledně typu, počtu a velikosti uchycení pro různě velké vzorky. Třetí část práce zkoumá predikční schopnosti modelů materiálů měkkých tkání a závislosti těchto schopností. Lze shrnout, že výsledné mechanické chování proloženého modelu materiálu závisí na počátečních parametrech a že neexistují „ideální“ počáteční parametry při prokládání experimentálních dat. Navzdory absenci „ideálních“ počátečních parametrů je navržen v rámci možností nejefektivnější způsob aproximace experimentálních dat z mnoha jejich souborů. Dále je možné shrnout, že omezení hodnot parametrů modelu při prokládání experimentálních dat ústí v nepředvídatelný vliv na kvalitu aproximace. V závěrečné části práce byl analyzován předpoklad afinní a neafinní deformace modelů materiálů za účelem vysvětlení velkých rozporů mezi výsledky strukturně založených modelů a výsledky dvouosých testů při různých testovacích protokolech. Ačkoli byly zjištěny určité rozdíly mezi výsledky analyzovaných modelů, přece nebyly dostatečně významné, aby vysvětlily výše uvedené velké rozpory. V poslední části práce jsou zmíněny další možné oblasti výzkumu.
The dissertation thesis focuses on the plausibility of mechanical testing of soft biological tissues and on the predictive capabilities of different material models, all assessed using finite element method. The first part of the thesis is dedicated to an introduction into the problem. Next soft biological tissues related to the problem and the ways of their mechanical testing are described according to the most recent knowledge. The second part of the thesis deals with finding the optimal experimental setup using computational modelling by virtual simulation of the mechanical testing. Results have confirmed that two narrow clamps per edge as well as commonly used hooks are applicable for biaxial tension testing of different soft tissues using square shape specimens. Use of clamps is therefore a time efficient, easy and reliable alternative not inferior to hooks. The analysis focused on recommendations for the choice of type, number and size of gripping elements for different specimen size was also carried out in the thesis. The third part of the thesis examines the predictive capabilities of material models of soft tissues and their dependencies. It can be concluded that the resulting mechanical behaviour of a fitted material model depends on starting parameters and there are no “ideal” starting parameters to be used when fitting experimental data. Despite the absence of “ideal” starting parameters, the most efficient way of achieving the best approximation of experimental data from many data sets is proposed. Furthermore, it is also concluded that a constraint of the fitted parameters results in unpredictable influence on the quality of the fit. Finally, the presumption of affine and non-affine deformation of material models was analysed in order to explain the large contradictions between the structure-based constitutive models and the results of biaxial tests under different testing protocols. Although certain differences between the analysed models were found out, they were not significant enough to explain those large contradictions. Further possible areas of investigation are mentioned as the last part of the thesis.
The dissertation thesis focuses on the plausibility of mechanical testing of soft biological tissues and on the predictive capabilities of different material models, all assessed using finite element method. The first part of the thesis is dedicated to an introduction into the problem. Next soft biological tissues related to the problem and the ways of their mechanical testing are described according to the most recent knowledge. The second part of the thesis deals with finding the optimal experimental setup using computational modelling by virtual simulation of the mechanical testing. Results have confirmed that two narrow clamps per edge as well as commonly used hooks are applicable for biaxial tension testing of different soft tissues using square shape specimens. Use of clamps is therefore a time efficient, easy and reliable alternative not inferior to hooks. The analysis focused on recommendations for the choice of type, number and size of gripping elements for different specimen size was also carried out in the thesis. The third part of the thesis examines the predictive capabilities of material models of soft tissues and their dependencies. It can be concluded that the resulting mechanical behaviour of a fitted material model depends on starting parameters and there are no “ideal” starting parameters to be used when fitting experimental data. Despite the absence of “ideal” starting parameters, the most efficient way of achieving the best approximation of experimental data from many data sets is proposed. Furthermore, it is also concluded that a constraint of the fitted parameters results in unpredictable influence on the quality of the fit. Finally, the presumption of affine and non-affine deformation of material models was analysed in order to explain the large contradictions between the structure-based constitutive models and the results of biaxial tests under different testing protocols. Although certain differences between the analysed models were found out, they were not significant enough to explain those large contradictions. Further possible areas of investigation are mentioned as the last part of the thesis.
Description
Keywords
měkké biologické tkáně, dvouosé mechanické testování, počítačové modelování, konstitutivní model, citlivostní analýza, predikční schopnost, afinní deformace, soft biological tissues, biaxial mechanical testing, computational modelling, constitutive model, sensitivity analysis, predictive capability, affine deformation
Citation
SLAŽANSKÝ, M. ANALYSIS OF IMPACT OF EXPERIMENT REALISATION ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF BIOMATERIALS [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Dr. Ing. Eduard Rohan, DSc. (člen)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2018-11-23
Defence
Práce přinesla významné obecně platné výsledky pro zkoušení měkkých tkání, které byly publikovány ve významném časopise. Další výsledky byly získány kolektivně v oblasti posuzování predikční schopnosti konstitutivních modelů.
Práci lze vytknout nižší míru přehlednosti a uspořádanosti textu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení