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Investigation on adipose mechanical properties under compression loading for improving human body modelling

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Chapter One: Introduction

1.1 Motivation

1.2 Research objective and scope

1.3 Approach and arrangement of current research work

1.4 Literature review of adipose tissue characterization

1.5 Summary

Chapter Two: Adipose Tissue

2.1 Subcutaneous adipose tissue anatomy, structure and composition

2.2 Microstructure of subcutaneous AT

2.2.1 Ground substance

2.2.2 Elastin

2.2.3 Collagen

2.2.4 Basement Membrane

2.2.5 Interlobular septa

2.2.6 Extracellular matrix (ECM)

2.3 Summary

Chapter Three: Methodology

3.1 Materials and methods

3.2 Specimen preparation and Experimentation

3.3 Uniaxial compression

3.4 Experimental data analysis

3.5 Analytical solution

3.6 Modelling and Simulation

3.7 Boundary conditions

3.8 Material models

3.9 Inverse finite element method/analysis

3.10 Summary

Chapter Four: Results

4.1 Experimental results

4.2 Analytical results

4.3 Inverse FEM results

4.4 Summary

Chapter Five: Discussions and Conclusions

5.1 Discussion

5.2 Conclusions

5.3 Research prospects

Conflict of interest

参考文献

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摘要

迄今为止,旨在减轻弹道和弹片攻击的军事级装甲材料在抵抗爆炸冲击方面效果较差。为了改善装甲的爆炸吸收特性,第一步是彻底了解爆炸对人体本身的影响。皮下脂肪组织与人体其他软组织一样,容易受到爆炸冲击和弹片穿透等影响。但是,目前尚缺乏表征脂肪对变化负荷条件的生物力学响应的研究。这为研究脂肪组织负荷的机理提供了充分的依据,这将是改善保护装置设计的关键一步。基于改进PPE的需要,当前的研究工作旨在通过研究在不同应变率下的准静态和动态压缩载荷下的力学性能,来研究脂肪组织的力学。  主要目的是通过实验测试和数值模拟来了解组织的应变率响应,并确定最能预测皮下组织AT载荷-变形行为的模型。获得脂肪组织的力学特性,并与现有脂肪组织相结合,为今后生物力学领域的建模提供参考。取猪皮下脂肪组织作为标本。利用MTS万能试验机对试件进行单轴压缩试验,获得应力应变响应数据。试件被切割成10×10×10mm的立方体。分别在0.05%/s、0.5%/s和5%/s三个应变速率范围内进行了试验。选择三阶QLV和一阶Ogden的材料本构模型对皮下脂肪组织的被动行为进行建模。用python代码对实验数据进行数值模拟。超弹性的材料参数;α=8.41μ=16.4,C1=-136.980,C2=-225.60,C3=3636.85。  设计了一个有限元模型来模拟脂肪组织。为了得到准确的结果,对它进行了精细的网格划分。0.05%~5%应变率的平均弹性模量和剪切模量为:初始E≈12.71±10.93kPa,最终E≈1300±66.60kPa。初始刚度模量G≈4.23±2.30kPa,最终G≈433.30±22.20kPa  Ogden和拟线性粘弹性模型的相关系数R2=0.9809,R2=0.9986。这些是模型与实验数据在0.5%应变率下的确定系数。实验和仿真结果的比较表明,该模型能够较准确地再现应力应变曲线。因此,所建议的材料参数能够较好地预测皮下脂肪组织的负荷和变形。皮下脂肪组织具有应变速率依赖性,在稳态载荷下表现出非线性的应力-应变响应。它在准静态载荷作用下表现出柔软、顺从的特性,在动态载荷作用下表现出刚性、回弹性的特性。

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