Bepaling van de mechanische eigenschappen van bindweefsel bij de elleboog op traditionele wijze Dijkers, C.G.C.
Gepubliceerd: 01/01/1988
Document Version !!Publisher's PDF, also known as Version of record Link to publication
Citation for published version (APA): Dijkers, C. G. C. (1988). Bepaling van de mechanische eigenschappen van bindweefsel bij de elleboog op traditionele wijze: tussenverslag. (DCT rapporten; Vol. 1988.008). Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven.
General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Download date: 05. Jan. 2016
BEPALING VAN DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN VAN BINDWEEFSEL BIJ DE ELLEBOOG OP TRADITIONELE WIJZE TUSSENVERSLAG W.
C.G.C. DIJKER§
WFW 88.008 , JULI 1987
INHOUDSOPGAVE Pagina
1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 ??
In1eiding De opdrachtomschrijving Verrichte activiteiten t o t dusver Een beschrijving van de inleidende proeven Het prepareren Het inklemmen van het weefsel Het in conditie houden van het weefsel Meetmethoden - de afmetingen van het proefstrookje Meetmethoden - de verplaatsingen De resultaten van de inleidende proeven De conclusies uit de inleidende proeven Het vervolg
Bijlage A:
Een aanzet voor een meetprotocol
3 4 4 5 5 5 7 7 8
9 13 14
- 3 -
INLEIDING
Dit is een tussentijds verslag van het afstudeerwerk van Mw. C.G.C. Dijkers bij de vakgroep WFW van de faculteit der Werktuigbouwkunde. Het geeft een overzicht van de tot nu toe verrichte activiteiten en een aanzet voor de te ondernemen acties in de toekomst. De opdracht behelst het vinden van een materiaalwet voor bindweefselstructuren bij de elleboog met behulp van uni-axiale trekproeven. In de afgelopen periode zijn inleidende proeven gedaan. De beschrijving, de resultaten en de conclusies daarvan zijn in dit verslag te vinden. Met deze proeven is kennis verkregen van het omgaan met en van het gedrag van bindweefsel. De komende maanden zullen besteed worden aan het verbeteren van de meetmethode, het opzetten van een goed meetprotocol en een fiteratuuronderzoek.
- 4 -
i.
DE OPDRACHTOMSCHRIJVING
Binnen het elleboogproject wordt theoretisch en experimenteel onderzoek gedaan naar de krachtdoorleiding van passieve bindweefselstructuren bij de elleboog. Voor een theoretische analyse van de krachtdoorleiding is het noodzakelijk het constitutieve gedrag van het bindweefsel te kennen. Om een eerste schatting van het materiaalgedrag te maken worden er, met behulp van traditionele methoden, metingen verricht. Deze metingen worden uitgevoerd door middel van uniaxiale trekproeven met de "2wick"-trekbank. Hierna moet een materiaalwet worden gezocht die aansluit bij deze experimentele gegevens . De opdracht omhelst: 1 . Het
zorgvuldig opzetten en uitvoeren van uniaxiale (en eventueel biaxialef trekproeven aan bindweefselstructuren uit de elleboog, waarbij problemen bij het prepareren, het in conditie houden van het bindweefsel en het inklemmen van het weefsel aan de orde komen. 2. Een keuze maken voor een materiaalwet uit de literatuur gekoppeld aan een daarvoor geschikt element uit een eindige elementen pakket. 3 . Een confrontatie van theorie met experiment.
2
VERRICRTE ACTIVITEITEN TOT DUSVER
De afgelopen periode is een orienterende periode geweest. Boor het uitvoeren van enkele inleidende proeven is aandacht geschonken aan het leren prepareren van bindweefsel en het maken van proefstrookjes, het omgaan met de "Zwick"-trekbank en het rek-distributiesysteem van ir. G. Peeters, en de problematiek rond het inklemmen en in conditie houden van het bindweefsel. Bit is gedaan door enkele inleidende proeven uit te voeren. Verder was ook het onderzoeken van diverse methoden om verplaatsingen te meten een doelstelling van deze proeven.
- 5 -
3
EEN BESCHRIJVING VAN DE INLEIDENDE PROEVEN
Er zijn uniaxiale trekproeven uitgevoerd op bindweefsel van koeien met behulp van de "2wick"-trekbank. De doelstellingen van deze uniaxiale trekproeven waren veelzijdig, Behalve het leren prepareren van bindweefsel, het vinden van de juiste wijze van inklemmen, het in conditie houden van het weefsel en het leren omgaan met diverse apparatuur was het verkrijgen van inzicht in de diverse methoden om verplaatsingen te bepalen een belangrijk doel.
4
HET PREPAREREN
Het slachthuis in Geldrop is bereid gevonden tot het leveren van enkele stukken bindweefsel van koeien. Het bindweefsel wordt eerst losgesneden van het aanliggende spier- en vetweefsel. Vervolgens wordt het, zonder vezels te beschadigen, in de gewenste breedte en lengte gesneden. Gedurende het prepareren wordt het weefsel tegen uitdroging behoed, door het vochtig te houden met een fysiologische zoutoplossing. Het bindweefsel kan zonder zichtbare gevolgen worden ingevroren, bewaard en ontdooit.
5
BET ~ N K ~ E ~VAN E NHET WEEFSEL
inscheuren, slip en uitvloeien van het weefsel in de klemmen te voorkomen vraagt het inklemmen van het: weefsel speciale aandacht. Bij de eerste proef is het weefsel ingeklemd in aluminiumklemmen die waren bedekt met schuurpapier. Bij deze proef scheurde het weefsel na enige tijd uit de klemmen. De krachtinleiding was verkeerd, omdat het weefsel in de klemmen dusdanig werd Samengedrukt dat het in breedterichting vloeide. Het toepassen van weefsellijm op het weefsel in de klemmen verbeterde de situatie, al trad er nog inscheuring Om
OP.
Een goed resultaat werd bereikt met klemmen die aan CCn zijde voorzien waren van een klein staalborsteltje, dat in het weefsel werd gedrukt. Na aanbrengen van weefsellijm op het Ingeklemde stukje weefsel kon met behulp van de andere helft van de klem, die voorzien was van een stukje piepschuim, het geheel worden aangedrukt (figuur I.).
- 6 -
I
Figuur 1 .
Klem met staalborsteltje en piepschuim
Met behulp van deze methode bleek het weefsel stevig te worden ingeklemd zonder dat inscheuring of verbreding optrad. Om het aanbrengen van het weefsel in de klemmen te vereenvoudigen zijn er hulpblokken gemaakt voor proefstrookjes van 30, 40 en 50 mm lengte (figuur 2.).
Figuur 2.
Hulpblok
- 7 -
6
HET IN CONDITIE HOUDEN VAN HET WEEFSEL
Tijdens het prepareren van het proefstrookje en tijdens het uitvoeren van de trekproeven moet er voor worden gezorgd dat het weefsel niet uitdroogt. Dit wordt gedaan door het weefsel tijdens liet prepareren vochtig te houden met een fysiologische zoutoplossing en gedurende de trekproeven door het druppelen van water op het proefstrookje. Omdat een fysiologische zoutoplossing de meetopstelling corrodeert, wordt gedurende de proef gebruik gemaakt van water. Het weefsel is bij de eerste proef vochtig gehouden door af en toe opspuiten van water. Bij de volgende proeven is gebruik gemaakt van een permanente druppelinstallatie in plaats van het met de hand spuiten om er zeker van te zijn dat het weefsel niet uitdroogt en om de proefnemer te ontlasten. In de klemen zijn gaatjes aangebracht waardoor aan beide zijden water het proefstrookje vochtig houdt (zie figuur 1 ) .
7
~ E E T ~ E T H ~ D-E NDE A F ~ E T I N GVAN ~ ~ HET PROEFSTROOKJE
In tegenstelling tot proefstrookjes van metaal is het meten van de exacte lengte, breedte en dikte van een proefstrookje van biologisch weefsel niet eenvoudig. Over het algemeen variëren breedte en dikte over het gehele strookje en is het materiaal inhomogeen van aamenstelling. Een naat voor breedte of dikte is dan ook niet relevant. De beginlengte is nog lastiger te bepalen. De afmetingen zijn afhankelijk van de voorgeschiedenis . Bij de lengtemeting komt dit tot uiting bij het starten van een proef. Het materiaal heeft na &en cyclus van aanbrengen en weer volledig verwijderen van een belasting een andere lengte dan voorheen. Hierop zal nader werden ingegaan bij het bespreken van de conclusies van de proeven. De afmetingen van de proefstrookjes zijn slechts globaal bepaald. De gemiddelde breedte is met behulp van een schuifmaat gemeten. De dikte is bepaald met behulp van een micrometer. Helaas zakt de taster van de micrometer af bij geringe veerkracht in het weefsel. De lengte is gemeten na een eerste belastingscyclus.
- 5 -
8
MEETMETHODEN - DE VERPLAATSINGEN
Er is gebruik gemaakt van diverse methoden om de verplaatsingen te meten. Methode 1 : De "2wick"-trekbank is uitgerust met een vaste klem en een klem die verticaal meebeweegt met een spindel. De verplaatsing van deze bewegende klem kan met behulp van een schrijver zichtbaar worden gemaakt. Met deze methode wordt de totale verlenging van het proefstrookje bepaald. Methode 2: Een andere mogelijkheid om verplaatsingen te meten is het aanbrengen van twee ten opzichte van elkaar beweegbare bekken. De verplaatsing tussen deze bewegende bekken kan met behulp van een schrijver zichtbaar worden gemaakt. Deze bekken kunnen verschillende uitvoeringsvormen hebben. Er is gebruik gemaakt van bekken die op het weefsel worden geklemd en van bekken voorzien van spelden die door het weefsel worden geprikt. Methode 3 : Bij de laatste methode, waarvan gebruik is gemaakt, worden papieren stippen met behulp van weefsellijm op het weefsel aangebracht. Bij verschillende verplaatsingen van de klemmen worden foto's gemaakt (zie figuur 3 , ) . Deze foto's worden digitaal afgetast waarna de posities van de stippen door de computer worden berekend. Na het vergelijken van de foto's zijn de bewegingen van de diverse stippen bekend.
o
Figuur 3.
e
Foto van het proefstrookje met stippen.
- 9 -
9
DE RESULTATEN VAN DE INLEIDENDE PROEVEN
Er zijn vier proeven uitgevoerd waarbij de diverse aspecten aan de orde zijn gekomen. Bij alle proeven is met een bepaalde snelheid ( 2 , 4 , 4 O en 80 mm/min) het weefsel verlengd, tot een maximaal toegestane ingestelde kracht wordt bereikt. Hiervan zijn kracht - verlengingscurves getekend. Het verloop van de grafieken toont een niet-lineair gedrag van het weefsel. Er is een grote hysterese-lus aanwezig (zie figuur 4 . ) . Voor een aantal curves is een 'k-waarde' berekend. Dit is een waarde waarbij een lineair verband tussen F en AL wordt gesuggereerd:
F = khL Ondanks dat het duidelijk is dat er geen lineaire verband is wordt er toch een 'k-waarde' bepaald om verschillende curves snel te kunnen vergelijken. De 'k-waarde' blijkt over eenzelfde krachtsinterval voor verschillende reksnelheden nauwelijks te variëren. Bij volgende proeven kan daarom worden volstaan met één reksnelheid. De voorkeur gaat daarbij uit naar een lage reksnelheid om doorschieten van de schrijver te voorkomen. Van een aantal curves is een gemiddelde elasticiteitsmudulus E en de rek E bepaald volgens:
-
E - -
AL LO
Te constateren valt dat de berekende stijfheid toeneemt als de belasting groter wordt. Een verklaring hiervoor is dat bij een toenemende kracht steeds meer collageenvezels worden belast en opgerekt. Bij het gebruik van de bekken (methode 2) is de stijfheid van het weefsel aanmerkelijk hoger, de kysterese-lüs kleiner en de cycli vallen eerder samen dan bij methode 1 . Zie figuur 4 . Het feit dat de totale stijfheid lager is dan de stijfheid op het kleine stuk kan worden verklaard door een lagere stijfheid van het weefsel bij de klemmen of door slip in de klemmen. Bij methode 2 wordt eventuele slip in de klemmen niet gemeten.
- IQ
I
~
L
-
VERPLAATSING TUSSEN KLEMMEN
Figuur 4.
__
~
__
-
F(H’
,A-
B E K K E N GEKLEMD OP HET WEEFSEL
-r
Kracht - verlengingscurves waarbij de verplaatsing is gemeten tussen de klemmen en tussen de bekken.
Methode 3 : De verplaatsingen van de stippen zijn in een grafiek uitgezet (figuur 5 ) . Te verwachten is dat de verplaatsing in de z-richting zal toenemen tot de kracht maximaal is en daarna weer zal afnemen. De verplaatsingen in x- en in y-richting zullen door de dwarscontractie naar het midden van het strookje gericht zijn. Voor de meeste stippen blijken beide verwachtingen niet uit te komen. Hiervoor zijn twee oorzaken aan te wijzen. De eerste oorzaak is de meetonnnauwkeurigheid van het apparaat. Volgens ir. G. Peeters bedraagt deze: 3a
met
a’ =
1
d: diameter van de stip (mul) p: pixels / werkelijke lengte-eenheid (pix/mm)= 1Q.vergrotingsfactor van de foto
-
Ij
-
Bij deze proef is: d = 0.7 mm
en p = 10
.
1.3
Hieruit volgt: 30 = 0.0163 mm
Veel verplaatsingen liggen in de grootte orde van de meetfouten. De tweede oorzaak is dat de vezels, alvorens te verlengen, gestrekt worden. Hierbij kan het middelpunt van de vezel naar buiten bewegen (zie figuur 6).
Figuur 6.
Het naar buiten bewegen van een vezel.
Wanneer de waarden voor de elasticiteitsmodulus bij de diverse methoden voor het meten van de verplaatsin en vergeleken worden, blijkt dat deze variëren tussen 58 en I89 N/mm Deze verschillen worden veroorzaakt door meetfouten. Deze fouten kunnen zijn:
a
- foutieve meting van de beginlengte,
-
onnauwkeurigheden van de schrijver,
- onnauwkeurigheden in het aflezen van de grafieken, - slip in de bekken, - fouten in de vervaardiging en verwerking van de foto's. De laatste fouten zijn gedeeltelijk te berekenen met behulp van (2). Alle punten hebben een mogelijke afwijking van 0.0163 mm. Hieruit volgt dat de verlenging AL in plaats van 0.060mm ook 0.028 mm of
- 12
i
-
0.092 mm kan zi n. De elasticiteitsmodulus kan hiermee liggen tussen 123 en 403 Njmm . Met het gebruik van de flitslampen veroorzaakt de vloeistof, die over het weefsel stroomt, reflecties op de foto's. Hierdoor kan een gedeelte van een stip wegvallen. Dit probleem wordt opgelost door het weefsel voor het fotograferen droog te deppen.
- 13 10
-
DE CONCLUSIES UIT DE INLEIDENDE PROEVEN
Met deze inleidende proeven is enige kennis verkregen over het omgaan met en het gedrag van bindweefsel. De gekozen wijze van prepareren en inklemmen van liet weefsel is geschikt gebleken. Enkele andere zaken zijn nog voor verbetering vatbaar :
-
De breedte- en diktemeting. Een geschikte opstelling met een micrometer en een goed meetprotocol kunnen de nauwkeurigheid van de breedte- en diktemeting verbeteren. - De beginlengte kan beter worden vastgesteld door nauwkeuriger meten met de schuifmaat of door stippen aan te brengen op de klemmen en de bekken, deze te fotograferen en de afstand met behulp van de computer te berekenen. - De foto's kunnen sneller worden afgedrukt met behulp van een raster die over de af te drukken foto wordt gelegd. Hierdoor wordt nabewerking van de foto voorkomen.
O
7.
O
O0
O
O
O
O
O0
o
O
O0
O
O
Figuur
O
0-
O
00
O
O
O
Raster om de foto's af te drukken.
- De druppelinstallatie. De bevestiging van de slangetjes gaat nog ongemakkelijk. Door enkele klemmen is dit op te lossen
- Het uitrichten van de bank. Om de klemmen van de bank evenwijdig ten op zichte van elkaar te krijgen, moeten vbbr iedere proef de klemmen worden uitgericht. Dit wordt gedaan doos één klem met een bout op de onderste krachtopnemer vast te zetten en de andere klem op het oog hiermee evenwijdig te zetten waarna deze klem met een bout op de bovenste krachtopnemer wordt vastgezet. Meestal verdraait de klem hierbij.
-
14 -
Dit is op te lossen door bouten te voorzien van een spiebaan en de krachtopnemers met behulp van een hulpblokje te voorzien van spieën. Wet het uitrichten worden de klemmen eenduidig gefixeerd ten opzichte van de krachtopnemers. Voor
een nauwkeurige beschrijving van het materiaalgedrag van een proefstrookje is informatie nodig van veel verschillende punten gedurende de gehele meetcyclus. De enige methode om dit efficiënt te doen is met behulp van het rekdistributie-apparaat van ir. G . Peters. Hierbij dienen echter wel rekken van minimaaal l % te worden aangebracht om een goede nauwkeurigheid te garanderen. De overige twee besproken methoden zijn geschikt om globaal materiaalgedrag t e bekijken. Van deze methoden lijkt de methode waarbij de verplaatsingen gemeten worden tussen twee bekken voorzien van spelden de beste. Eventuele slip in de klemmen wordt, bij het meten van de verplaatsingen, niet meegenomen.
11
HET VERVOLG
deze inleidende fase moeten de komende maanden de volgende stappen ondernomen worden:
Na
- Het uitvoeren van de voorgestelde verbeteringen.
- Het opzetten van een goed meetprotocol. - Een literatuuronderzoek naar verrichte activiteiten op dit gebied, naar het omzetten van experimentele gegevens naar wiskundige modellen en naar gebruikte materiaalwetten bij soortgelijke experimenten. Na deze periode kunnen gerichtere proeven op bindweefsel uit de elleboog worden gedaan.
BIJLAGE A
Dit is een eerste aanzet voor een meetprotocol. Gedurende de volgende proeven zal dit meetprotocol verder uitgebreid en verbeterd moeten worden. De volgende stappen moeten genomen worden, om een juiste en betrouwbare meting uit te voeren.
-
Zorgvuldig prepareren van het bindweefsel tot een strookje van ongeveer 30 mm lengte, 10 mm breedte en 1 mm dikte waarbij breedte en dikte overal even groot moeten zijn. - Wet vervaardigen en aanbrengen van stippen met behulp van weefsellijm. - Het weefsel inklemmen in de klemmen voorzien van staalborsteltjes inet weefsellijm en piepschuim. - Het meten van breedte en dikte. - Wet aanbrengen van een druppelinstallatie. - Het uitrichten van de trekbank. - Het inspannen van hulpblokken met klemmen en proefstrookje in de trekbank. - Het afregelen van F en AL van de trekbank op nul en het instellen van de gevoeligheden. Richtwaarden hiervoor zijn: met E = 100 N/mm 2
-
en
& = 1 a 2 %
Het instellen van de nulpositie en de gevoeligheden van de schrijver. Richtwaarden hiervoor zijn: In de verplaatsingsrichting: 0.05 mm/cm papier In de krachtrichting : O . 5 V/cm papier
- Het aanbrengen van een verplaatsingsmeter en afregelen daarSri?€? . instellen van de reksnelheid ( 5 tot 40 % van 5 mm/min) en de minimale en maximale toegestane kracht en/of verplaatsing.
- Het
