A robust numerical framework for the analysis of material failure of fibre reinforced soft tissue

In this work, robustness and stability of continuum damage models applied to material failure in soft tissues are addressed. In the implicit damage models equipped with softening, the presence of negative eigenvalues in the tangent elemental matrix degrades the condition number of the global matrix, leading to a reduction of the computational performance of the numerical model. Two strategies have been adapted from literature to improve the aforementioned computational performance degradation: the IMPL-EX integration scheme [Oliver,2006], which renders the elemental matrix contribution definite positive, and arclength-type continuation methods [Carrera,1994], which allow to capture the unstable softening branch in brittle ruptures. The IMPL-EX integration scheme has as a major drawback the need to use small time steps to keep numerical error below an acceptable value. A convergence study, limiting the maximum allowed increment of internal variables in the damage model, is presented. Finally, numerical simulation of failure problems with fibre reinforced materials illustrates the performance of the adopted methodology

Nuevos desarrollos en la caracterización geométrica y simulación mecánica de paredes arteriales

El presente trabajo resume los desarrollos realizados por el Grupo de Mecánica Computacional de la ETSICCP de la UPM en el campo de la biomecánica. Se presentan estrategias de caracterización geométrica de paredes arteriales a partir de tomografía computarizada y de reconstrucciones tridimensionales del cayado aórtico, se describe una metodología de implementación de las tensiones iniciales dentro del contexto del análisis por elementos finitos y se expone un modelo constitutivo de daño continuo que busca reproducir la degradación material del tejido aórtico

Statistical characterization of soft tissue inelastic parameters and application to the material failure of the aortic ach

Caracterización de los procesos de disipación mecánica basándose en la microestructura de los tejidos blandos. We present a continuous damage model with regularized softening (smeared crack models) for fiber reinforced soft tissues. Material parameters of the continuous model derive from the mesoscopic scale. In the mesoscopic scale continuum is considered as a collagenous fibrilreinforced composite. We want to study the continnumlevel response as a function of the nanoscale properties of the collagen and the adherent forces between the tropocollagen molecules

A regularised continuum damage model based on the mesoscopic scale for soft tissue

Material properties of soft fibrous tissues are highly conditioned by the hierarchical structure of this kind of composites. Collagen based tissues present, at decreasing length scales, a complex framework of fibres, fibrils, tropocollagen molecules and amino-acids. Understanding the mechanical behaviour at nano-scale level is critical to accurately incorporate this structural information in phenomenological damage models. In this work we derive a relationship between the mechanical and geometrical properties of the fibril constituents and the soft tissue material parameters at macroscopic scale. A Hodge–Petruska two-dimensional model has been used to describe the fibrils as staggered arrays of tropocollagen molecules. After a mechanical characterisation of each of the fibril components, two fibril failures modes have been defined related with two planes of weakness. A phenomenological continuous damage model with regularised softening was presented along with meso-structurally based definitions for its material parameters. Finally, numerical analysis at fibril, fibre and tissue levels are presented to show the capabilities of the mode

Análisis de los parámetros que definen un modelo de daño aplicado al deterioro de la capacidad resistente de paredes arteriales

El comportamiento mecánico de las paredes arteriales constituye un ingrediente fundamental para entender enfermedades cardiovasculares como las disecciones aórticas o la fisuración de placas de ateroma. El fenómeno mecánico que subyace en estas enfermedades es el fallo constitutivo del material, que puede deberse a la degradación de las propiedades mecánicas del tejido, a la aplicación de una carga excesiva o la concentración de tensiones que tiene lugar en traumatizaciones de la íntima. Un modelo que busque reproducir este comportamiento biomecánico debe incorporar además la información histológica de las paredes arteriales, formadas en una primera aproximación por una matriz acuosa incompresible y dos familias de fibras dispuestas helicoidalmente. De entre los modelos mecánicos existentes cabe destacar los modelos de daño, que con un conjunto pequeño de parámetros son capaces de reproducir la degradación de la capacidad resistente tanto en la matriz como en las fibras. Esta simplicidad convierte a esta clase de modelos en una herramienta muy útil para estudiar este fenómeno. En este trabajo se presenta un estudio para un modelo de daño de los parámetros que lo definen, asociados a la imposición de la incompresibilidad de la matriz acuosa y a las evoluciones del daño en dicha matriz y en las dos familias de fibras. Se incluye una revisión de las técnicas existentes para imponer la incompresibilidad, un resumen bibliográfico de la caracterización experimental de los parámetros materiales y un análisis de su influencia en el comportamiento estructural de la aorta, analizada mediante ensayos de tracció

A continuum damage model characterization based on the soft tissue mesostructure

Material properties of soft tissues are highly conditioned by the hierarchical structure of this kind of composites. These collagen-based tissues present a complex framework of fibres, fibrils, tropocollagen molecules and amino-acids. As the structural mechanisms that control the degradation of soft tissues are related with the behaviour of its fundamental constituents, the relationship between the molecular and intermolecular properties and the tissue behaviour needs to be studied

Desarrollos en la caracterización geométrica y el comportamiento mecánico de paredes arteriales

Caracterización geométrica mediante tomografía computacional Construcción modelos discretizados Inclusión tensiones residuales Determinación índice de fall

A gradient-enhanced continuum damage model with application to fibre-reinforced tissues at finite strains

A non-local gradient-based damage formulation within a geometrically non-linear set- ting is presented. The hyperelastic constitutive response at local material point level is governed by a strain energy function which is additively composed by an isotropic neo-Hookean matrix and by an anisotropic fibre-reinforced material based on the model proposed by T. Gasser, R. Ogden, and G. Holzapfel

Desarrollo en la definición geométrica y en el modelado de la degradación mecánica de las paredes arteriales en el cayado aórtico

Desarrollo de técnicas para la reconstrucción de imágenes médicas y mallas de elementos finitos. Desarrollo de modelos de comportamiento mecánico para reproducir la degradación de la capacidad portante en la pared arterial

A gradient-enhanced continuum damage model for fibre-reinforced materials

Modelo de daño no local definido a materiales fibrados. Este modelo se aplica al estudio de problemas típicos en la biomecánica de los tejidos blandos, como las paredes arteriales