A lattice material is a cellular structure with a periodic arrangement of cells in either two or three dimensions. Lattice materials are attractive candidates for potential use in a broad range of applications, including battery electrodes, vibration insulators, ultra lightweight sandwich panels, and biomedical implants. This thesis focuses on the design of planar lattices for micro-architectured materials and medical devices. Strength of a lattice material degrades under cyclic loading conditions. In this thesis a computational method based on finite element analysis (FEM) is proposed to analyze and design lattice materials and structures for fatigue failure. A comparison with available experimental data contributes to the validity of the method. The effect of the unit cell's architecture on the fatigue resistance of lattice materials is investigated by considering square and hexagonal shapes of unit cells. A shape optimization methodology based on removing the stress concentration caused by the presence of geometrical discontinuities at the inner boundaries of the lattice cell walls is proposed to improve the fatigue resistance of planar lattice materials. The shape optimization method adapted for the fatigue design of a lattice is applied to design intravascular self-expandable characterized by a periodic arrangement of cells, against fatigue failure. In particular, the aim is to improve the fatigue resistance of Nitinol stent grafts with closed-cell, and to design a stent-like device functioning as a protection for an endovascular oxygenator. A parametric study was carried out to assess the effect of different geometrical parameters on the fatigue resistance and radial stiffness of the generated Nitinol stent lattices. Novel stent-like concepts are proposed to protect and guide the state-of-the art intravenous oxygenator developed by ALung Technologies Inc. (Pittsburgh, PA) in partnership with the University of Pittsburgh. The validity of the proposed concepts in protecting the oxygenator was tested in vitro. The structural behavior of the proposed conceptual designs was studied by using FEM, and the level of blood damage caused by catheter rotation is investigated through CFD analysis. Preliminary numerical and experimental observations suggest that the proposed design can put the oxygenator one step closer to the market. / Un matériau en treillis est une structure cellulaire avec une disposition périodique de cellules en deux ou en trois dimensions. Ces structures sont utilisées dans plusieurs applications, y compris les électrodes de la batterie, isolateurs de vibration, panneaux ultra légers en sandwich et implants biomédicaux. Cette thèse met l'accent sur la conception de réseaux plans pour des matériaux ayant une microarchitecture et pour les dispositifs médicaux. Dans plusieurs applications, la résistance d'un matériau en treillis se dégrade dans les conditions de chargement cycliques. Dans cette thèse une méthode numérique basée sur la mécanique de calcul est proposé afin d'analyser et de concevoir des matériaux et des structures en treillis pour prévenir toute rupture causée par fatigue. Une comparaison avec des données expérimentales contribue à la validité de la méthode. L'effet de l'architecture d'une cellule de cette unité sur la tenue en fatigue des matériaux en treillis est étudiée en tenant compte des formes carrées et hexagonales de cellules unitaires. En outre, une méthodologie d'optimisation de forme fondé sur l'élimination de la concentration du stress causé par la présence de discontinuités géométriques aux frontières intérieures des parois cellulaires en treillis est proposé pour améliorer la résistance à la fatigue des matériaux en treillis planaires. Plusieurs topologies de cellules augmentant la résistance à la fatigue sont proposées pour l'amélioration des matériaux et des structures caractérisées par un arrangement périodique de cellules. Cette méthode d'optimisation de forme adaptée pour la conception de fatigue d'un réseau de cellule est appliquée à la conception intravasculaire d'endoprothèses auto-expansibles et aussi à la conception d'un dispositif fonctionnant comme stent offrant une protection pour un oxygénateur endovasculaire.Une géométrie de la cellule avec une meilleure résistance à la fatigue est proposée pour un réseau planaire pour stent. Une étude paramétrique a été réalisée pour évaluer l'effet des différents paramètres géométriques sur la résistance à la fatigue et la raideur radiale des réseaux générés de stent. Plusieurs concepts nouveau empruntent du stent sont proposées pour protéger et guider un oxygénateur intraveineux mis au point par Technologies Inc. Alung (Pittsburgh, PA), en partenariat avec l'Université de Pittsburgh. La validité des concepts proposés assurant une protection de l'oxygénateur a été testée in vitro. Le comportement de la structure des conceptions proposées conceptuels a été étudié en utilisant la méthode des éléments finis tandis que et le niveau de dommages de sang causé par la rotation du cathéter a était évaluer à travers une modélisation numérique et dynamique des fluides. Les observations numériques et expérimentales suggèrent que la conception proposée mettrait l'oxygénateur un pas de plus vers le marché.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114478 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Masoumi Khalil Abad, Ehsan |
| Contributors | Damiano Pasini (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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