FEM code for the multi - scale simulation of the stress - strain state of the blood chamber composed of polyurethane and TiN nanocoating

• Autorzy: Milenin A. , Kopernik M.

Warianty tytułu

PL

Kod MES do modelowania wielkoskalowego stanu odkształceń - naprężeń w komorze krwistej zbudowanej z poliuretanu i azotku tytanu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The ventricle sometimes cannot work efficiently and therefore, must be outfitted with prosthesis - pulsatile ventricular assist device (VAD) often made of polyurethane. But, it was found that the blood clot formation proceeds in the polyurethane/blood contact area and the polyurethane is subjected to degradation. Thus, it is necessary to modify the surface of polyurethane by covering it with a biocompatible TiN coating deposited by pulsed laser deposition method. The important advantage of selected deposition method is the production of coatings of very high chemical purity and adhesion at room temperature. Using temperature-sensitive materials like polymers in VADs, demands low-temperature coating techniques to deposit biocompatible coatings. But the applied method has also disadvantage - the values of compressive residual stresses are the biggest of all measured, when TiN nanocoating is deposited by applying the PLD method. Thus, the stress concentration at the contact between layers is considered to be one of the main reasons responsible for failure of the blood chamber of the VAD made of PU/TiN. The purpose of the present paper is development of the computer FEM code for the multi-scale simulation of the stress - strain state for the PU/TiN blood chamber of VAD, which will be used to determine the most dangerous places at surface of the chamber under predicted loadings. The algorithms of finite elements mesh processing, implementation of boundary conditions and obtaining numerical solution are presented in this paper. The developed FEM code is based on the new approach to the simulation of multilayer materials obtained by using Pulsed Laser Deposition method. The model in micro-scale includes two components - model of the initial stresses caused by deposition process and simulation of active loads observed in the blood chamber of VAD. Predicted distributions of stresses and strains are helpful to define precisely the regions of blood chamber, which can be defined as the failure-source areas.

PL

Gdy lewa komora serca nie pracuje prawidłowo, to jest zastępowana protezą - pulsacyjną komorą wspomagania pracy serca (VAD, z ang. ventricular assist device), którą często wykonuje się z poliuretanu (PU) i naniesionej za pomocą metod) PLD (osadzenie laserem impulsowym) biokompatybilnej powłoki TiN. Otrzymywane duże wartości ściskających naprężei własnych, są najwyższe ze wszystkich mierzonych, gdy powło kę TiN nanosi się metodą PLD. Celem niniejszej pracy jest opracowanie programu komputerowego wykorzystującego metodę elementów skończonyc (MES) do wieloskalowego modelowania stanu odkształcę i naprężeń dla komory krwistej zbudowanej z PU/TiN, który to program będzie wykorzystywany do określania najbardzi niebezpiecznych miejsc ze względu na możliwe uszkodzeń materiału powierzchni komory, jakie mogą się pojawi; w warunkach pracy komory. Algorytmy wykorzystywane do tworzenia siatki elementów skończonych, implementacja warunków brzegowych i otrzymane rozwiązanie numeryczne zaprezentowano w niniejszej prac Opracowany kod MES jest oparty na nowym podejściu symulowania materiałów wielopowłokowych otrzymywanych metodą PLD. Model w skali mikro zawiera dwa składniki: model naprężeń własnych (naprężeń początkowych) powstał] w procesie nanoszenia powłok i model obciążeń zadawan w komorze krwistej VAD. Przewidywane w modelu rozkłady naprężeń i odksztalceń pomagają określić dokładnie te strefy komory krwistej, które można zdefiniować, jako obszary będące źródłem jej uszkodzeń.

Słowa kluczowe

EN

pulsed laser deposition (PLD); representative volume element (RVE); finite element method (FEM); ventriciilar assist device (VAD); polyurethane (PU)

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 1
• Strony: 215--222
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Milenin A.

autor

Kopernik M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, al Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• Ilushin, A., 1963, Plastichnost, Moscow, AN ZSSR (in Russian).
• Irons, B.M., 1975, A frontal solution program for finite element analysis, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 3/2, 293-294.
• Kopernik, M., Milenin, A., 2008, The sensitivity analysis of nanoindentation test for specimen composed of TiAIN and TiN using the mathematical model, Metal Forming Conference 2008, Steel Research International, Special Edition, 79/2, 555-562.
• Kopernik, M., Milenin, A., 2009, Symulacja próby wciskania wgłębnika dla układu twardych nanopowłok, Rudy i Metale Nieżelazne, 1, 14-17.
• Kopernik, M., Milenin, A., Major, R., Lackner, J.M., 2011, Identification of material model of TiN using numerical simulation of nanoindentation test, Materials Science and Technology, 26 (in press).
• Lackner, J.M., 2005, Industrially-scaled large-area and high-rate tribological coating byPulsed Laser Deposition, Surf Coat Tech, 200, 1439-1444.
• Litwiński, P., Woźniewicz B., Religa, G., Pastuszek, M., Parulski, A., Jasińska, M., Kocańda, S., Kustosz R., Siondalski, P., Religa, Z., 2005, Zastosowanie mechanicznego wspomagania krążenia sztucznymi komorami typu POLVAD w leczeniu wstrząsu kardiogennego na tle zapalenia mięśnia sercowego, Kardiochir. Torakochir. Pol, 2/4, 33-40.
• Milenin, A., 1998, Numerical properties of finite-element algorithms in the three-dimensional shaping of metals, Russ Metall., 5, 38-43.
• Milenin, A., 2010, Podstawy Metody Elementów Skończonych, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków (in Polish).
• Milenin, A., Kopernik, M., 2009, The muliscale FEM model of artificial heart chamber composed of nanocoatings, Acta of Bioengineering and Biomechanics, 11/2, 13-20.
• Pauleau, Y., 2006, Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques, Elsevier Science and Technology.
• Thibaux, P., Chastel, Y., Chaze, A.-M., 2000. Finite element simulation of a two-phase viscoplastic material: calculation of the mechanical behaviour, Computational Materials Science, 18, 118-125.
• Zienkiewicz, O.C., Taylor, R. L., 2000, The Finite Element Method, Butterworth Heinemann, London.