تحلیل حالت شکستگی بحرانی استخوان با استفاده از XFEM
چکیده
هدف ما در این قسمت به دست آوردن یک شبیه سازی صحیح از شکستگی استخوان متراکم در انسان با استفاده از مدل المان محدود توسعه یافته در یک نرم افزار تجاری المان محدود با نام Abaqus می باشد. یک مدل سلول واحد دو بعدی از استخوان متراکم بر اساس تصویر های میکروسکوپی از قسمت میانه ی دیافیز در درشت نی یک استخوان که از بدن مرد 70 ساله به دست آمده است، ایجاد می شود. در هر فاز از این مدل، یک استخوان میان نهاده، یک خط سیمان استخوانی و یک قسمت بافت استخوانی ( استئون) را دارد که به صورت الاستیک خطی و همسانگرد در نظر گرفته شده اند و ویژگی های مواد آن ها با استفاده از شناسایی نانو به دست آمده است که مقادیر آن در مقالات دیگر ارائه شده است.
تاثیر استفاده از روش های تحلیل شکستگی ( روش تحلیل بخش های به هم پیوسته در مقایسه با روش های تحلیل شکستگی مکانیک الاستیک خطی)، نوع المان محدود و شرایط مرزی ( ردگیری، جابجایی و مختلط) بر روی شروع ترک در استخوان های متراکم در این مطالعه بررسی شده است. در این مطالعه ارزیابی آسیب در بخش های به هم پیوسته برای ردگیری قانون تفکیک مبتنی بر انرژی و جابجایی مورد استفاده قرار گرفته است. به علاوه، تاثیرات افزایش سایز و تراکم مش بر روی نتایج تحلیل نیز بررسی شده است.
ما نشان می دهیم که روش های بخش های پیوسته و مکانیک شکستگی الاستیک خطی در روش المان محدود توسعه یافته به صورت موثر می توانند شکستگی های موجود در استخوان متراکم را نشان دهند. تراکم مش و افزایش سایز شبیه سازی ها می تواند بر روی نتایج تحلیل در استفاده از هر کدام از روش ها تاثیر داشته باشد و استفاده از یک مش درشت تر و یا افزایش کمتر در سایز همیشه نتایج صحیح تری را ایجاد نمی کند. هر دوی این روش ها نتایج نزدیک به هم اما متفاوت را ارائه می دهند و سرعت نشر ترک وقتی که ما از روش بخش های به هم پیوسته استفاده می کنیم، کند تر می باشد. همچنین، با استفاده از المان های ادغام کاهش یافته در راستای روش بخش های به هم پیوسته، موجب کاهش سرعت نشر ترک در مقایسه با استفاده از المان های کاملا یکپارچه می شود.
1) پیش زمینه
شکستگی استخوان یکی از مهم ترین مشکلات بالینی می باشد. خطر شکستگی استخوان مبتنی بر عوامل مختلف می باشد : سن ، جنسیت، رژیم غذایی، تمرین، و وضعیت سلامتی. میزان سختی شکستگی ها بر اساس معیار مقاومت مواد نسبت به ترک مشخص می شود. درک مقاومت استخوان ها نسبت به شکستگی برای تشخیص و پیش بینی بیماری های استخوانی و ارزیابی درمان آن ها اهمیت زیادی دارد.
Abstract
We aim to achieve an accurate simulation of human cortical bone fracture using the extended finite element method within a commercial finite element software Abaqus. A two-dimensional unit cell model of cortical bone is built based on a microscopy image of the mid-diaphysis of tibia of a 70 year-old human male donor. Each phase of this model, an interstitial bone, a cement line, and an osteon, are considered linear elastic and isotropic with material properties obtained by nanoindentation, taken from literature.
The effect of using fracture analysis methods (cohesive segment approach versus linear elastic fracture mechanics approach), finite element type, and boundary conditions (traction, displacement, and mixed) on cortical bone crack initiation and propagation are studied. In this study cohesive segment damage evolution for a traction separation law based on energy and displacement is used. In addition, effects of the increment size and mesh density on analysis results are investigated.
We find that both cohesive segment and linear elastic fracture mechanics approaches within the extended finite element method can effectively simulate cortical bone fracture. Mesh density and simulation increment size can influence analysis results when employing either approach, and using finer mesh and/or smaller increment size does not always provide more accurate results. Both approaches provide close but not identical results, and crack propagation speed is found to be slower when using the cohesive segment approach. Also, using reduced integration elements along with the cohesive segment approach decreases crack propagation speed compared to using full integration elements.
1. Background
Bone fracture is an outstanding clinical problem. Risk of bone fracture depends on various factors: age, genetics, diet, exercise, and state of health. Fracture toughness is the measure of material’s resistance to cracking. Understanding of bone’s resistance to fracture is important for diagnosis of bone diseases and assessment of treatments.
چکیده
1) پیش زمینه
2) روش ها
2.1 مدل های استخوان متراکم
2.2 تحلیل المان محدود – پیش پردازش
2.3 پیش زمینه های نظری
3) نتایج و مباحث
4) جمع بندی
تحلیل شکستگی استخوان متراکم با استفاده از XFEM – مورد مطالعاتی
Abstract
1. Background
2. Methods
2.1. Cortical bone model
2.2. Finite element analysis - preprocessing
2.3. Theoretical background
3. Results and Discussion
4. Conclusions
5. Acknowledgements
Cortical Bone Fracture Analysis Using XFEM – Case Study
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه