Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Mohammad Silani
محمد مشایخی (استاد مشاور) محمد سیلانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Parissa Allahyari avanlighi
پریسا اله یاری آونلیقی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
Bone is the principal structural component of a skeleton with a hierarchical structure in multiple length scales, which shows unique mechanical, biological, and chemical characters. Bone fractures are affected by factors such as changes in the material's microstructure and properties and the accumulation of microcracks. Therefore, the study of bone microstructure effects on crack propagation at the microscale is of particular importance. In this study, two-dimensional finite element models of human cortical bone tissue and bovine cortical bone tissue were created as three-phase composite and four-phase composite under tensile load. Then, crack propagation analysis inside the bone representative volume element was performed using the extended finite element method inside Abaqus software, and local sensitivity analysis was performed. The resulting stress-strain behavior, which is quite different in the two studied models, confirms the critical role of bone tissue microstructure in the failure. The results emphasize the importance of the interphase, i.e. cement lines in the four-phase composite model. The presence of this interphase locally affects the crack propagation path and behavior at the macro scale. Two models with different porosity percentages and different porosity positions are studied. It was found that cavities affect the crack propagation path, and increasing the porosity percentage reduces the maximum stress required to start crack propagation. By looking at two models with different ratios of osteon and cement line, it was found that the percentage effect of these two components is significant in bone fracture, so bone mineral density is one of the crucial parameters in bone fractures. By performing sensitivity analysis, it was found that the elastic modulus of the cement line has a more significant effect on the final strength, and the porosity percentage has the most significant impact on the final strength. The experimental results obtained from the literature in this field were used to develop and validate numerical models. Keywords: Cortical Bone Tissue, Microstructure, Extended Finite Element Method, Fracture, Sensitivity Analysis, Cement Line.
استخوان به عنوان جزء اصلی اسکلت بدن، از آرایش پیچیده hy;ای از مواد در مقیاس های طولی متفاوت که به آن امکان می دهد قابلیت های مکانیکی، شیمیایی و زیستی گوناگون و منحصر به فرد ازخود نشان دهد، تشکیل شده است. شکستگی استخوان با عواملی مانند تغییر در ریز ساختار و خواص ماده و تجمع ریزترک ها تحت تاثیر قرار می گیرد. بنابراین بررسی اثر ریز ساختار ماده استخوانی بر انتشار ترک در مقیاس میکرو از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پژوهش مدل های عددی دوبعدی اجزا محدود میکرو ساختار بافت متراکم استخوان [1] لگن گاو و استخوان انسانی به صورت ماده همگن وکامپوزیت سه فازی و کامپوزیت چهار فازی تحت بارکششی ایجاد شد. سپس انتشار ترک در المان حجمک نماینده ساخته شده با استفاده از روش اجزا محدود توسعه یافته [2] به وسیله ی نرم افزار آباکوس [3] بررسی و تحلیل حساسیت محلی انجام شد. رفتار تنش-کرنش حاصل که در دو مدل مورد مطالعه کاملا متفاوت می باشد، تایید کننده ی نقش مهم میکروساختار بافت استخوان در شکست آن است. بررسی نتایج حاصل، بر اهمیت فاز میانی [4] یعنی خطوط سیمانی [5] در مدل کامپوزیت چهار فازی تاکید دارد. وجود این فاز میانی به صورت محلی بر مسیر انتشار ترک و رفتار در مقیاس ماکرو تاثیر می گذارد. با بررسی دو مدل با درصد تخلخل های متفاوت و موقعیت مختلف تخلخل ها مشخص شد که حفره ها بر مسیر انتشار ترک تاثیر می گذارد و افزایش درصد تخلخل باعث کاهش حداکثر تنش لازم برای شروع انتشار ترک می شود. با بررسی دو مدل با درصد استئون و خط سیمانی متفاوت به دست آمد که درصد این دو جزء در شکست استخوان بسیار مهم می باشد پس تراکم معدنی استخوان ازپارامترهای مهم در شکستگی استخوان است. با انجام تجزیه و تحلیل حساسیت و بررسی پارامترورودی مدول الاستیک اجزا به دست آمد که مدول الاستیک خط سیمانی دارای تاثیر بیشتری در استحکام نهایی می باشد و با بررسی درصد حجمی اجزا به دست آمد که درصد تخلخل بیشترین تاثیر را در مقدار استحکام نهایی دارد. نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از مقالات موجود در این زمینه، برای کمک به توسعه مدل های عددی و صحت سنجی نتایج استفاده شد. کلمات کلیدی: بافت متراکم استخوان، میکرو ساختار، روش اجزا محدود توسعه یافته، شکست، تحلیل حساسیت، خط سیمانی. 1 Cortical bone tissue 2 Extended finite element method 3 Abaqus 4 Interphase 5 Cement lines

ارتقاء امنیت وب با وف بومی