Optimal Experimental Design for Repeatable Hyperelastic Material Characterization
Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials (2025). DOI: 10.1016/j.jmbbm.2025.107104.
شناسایی قابلاعتماد پارامترهای هایپرالاستیک برای مدلسازی مکانیکی مواد و بافتهای زیستی ضروری است، اما انتخاب نامناسب حالت بارگذاری و نقاط اندازهگیری میتواند باعث حساسیت شدید به نویز و عدم تکرارپذیری شود. این پژوهش چارچوب «ژاکوبین تنش–ماده» را برای انتخاب کمی نوع بارگذاری، سطح تغییرشکل و تعداد آزمایشها معرفی میکند.
دترمینان و عدد شرط ژاکوبین نشان میدهند یک پروتکل آزمایشی چه مقدار اطلاعات مستقل درباره پارامترهای ماده فراهم میکند. این روش برای مدلهای نئوهوکین، مونی–ریولین و آگدن بررسی شده و نشان میدهد انتخاب اطلاعاتمحور نقاط آزمایش میتواند عدمقطعیت پارامترها و حساسیت به خطای اندازهگیری را کاهش دهد.
در شناسایی ماده، دادههای تنش و تغییرشکل برای تخمین ضرایب مدل سازنده استفاده میشوند. اگر حساسیت تنش نسبت به چند پارامتر مشابه باشد، پاسخ معکوس بدشرط میشود و پارامترهای متفاوت میتوانند برازش تقریباً یکسانی ایجاد کنند.
ژاکوبین تنش–ماده تغییر تنش پیشبینیشده را نسبت به تغییر پارامترهای ماده اندازه میگیرد. دترمینان بزرگتر و عدد شرط کوچکتر به معنی اطلاعات مستقل بیشتر و جداسازی بهتر پارامترها است. بر این اساس میتوان کشش، فشار، برش یا بارگذاری دومحوره و نقاط تغییرشکل مناسب را انتخاب کرد.
این چارچوب میتواند تعداد آزمایشهای لازم را کاهش دهد و قابلیت مقایسه پارامترهای گزارششده برای بافتهای مشابه را افزایش دهد. طراحی آزمایش بهتر برای مدلسازی اجزای محدود، شناسایی مکانیکی بافت و الاستوگرافی معکوس اهمیت دارد.
این نمونه ساده، منطق فایل MATLAB همراه مقاله را بازسازی میکند. نقاط نمونهبرداری و سطح نویز را تغییر دهید تا ببینید شرطیبودن ماتریس حساسیت چگونه بر دقت برازش اثر میگذارد.
در این مثال، ماتریس طراحی A = [x², x, 1] نقش یک ژاکوبین حساسیت ساده را دارد.
A = [x², x, 1]
θ̂ = [a, b, c]
این پژوهش با حمایت مؤسسه ملی سلامت آمریکا از طریق جایزه Trailblazer مؤسسه NIBIB با شماره R21EB032187 و گرنت مؤسسه NINDS با شماره 1R01NS131554-01 انجام شده است.
شناسه DOI مرجع رسمی مقاله است.
@article{Asadi2025OptimalExperimentalDesign,
author = {Asadi, Amirreza and Laksari, Kaveh},
title = {Optimal Experimental Design for Repeatable Hyperelastic Material Characterization},
journal = {Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials},
volume = {170},
pages = {107104},
year = {2025},
doi = {10.1016/j.jmbbm.2025.107104}
}