Конечно-элементный анализ поведения макротрещин в кортикальной части большеберцовой кости человека
Автор: Бенамар Х., Бельхамиани М., Джеббар Н., Удад В., Бенхадду А.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
Кость - это биологическая ткань, характеризующаяся сложной иерархической структурой; тканевые компоненты кости обладают различными механическими свойствами и имеют сложную геометрию формы. Потому для облегчения изучения механического поведения костей удобно использовать трехмерные модели, созданные с помощью программного обеспечения CAD . Сочетание концепций линейной механики упругих переломов и конечно-элементного анализа обеспечивает практическое решение для изучения поведения большеберцовой кости при переломе. Целью данного исследования является анализ поведения трещин в кортикальной части большеберцовой кости человека с использованием показателей интенсивности напряжения ( SIF ) в режимах I, II и III, выбранных в качестве критериев разрыва для оценки реакции кости на повреждение. Большеберцовая кость является одним из наиболее распространенных и проблемных мест переломов нижних конечностей. Результаты исследования влияния положения трещины в кости показывают, что риск распространения трещины в основном обусловлен способом раскрытия I и наиболее высок в дистальной зоне, по сравнению со средней и проксимальной областями, независимо от плотности кости. Кроме того, было замечено, что независимо от размера трещины максимальные значения SIF KI достигаются в дистальной зоне. Что касается влияния ориентации трещины, то результаты указывают на преобладание режима II для углов α = - 45°,30°,45°, что приводит к высоким значениям SIF K II.
Биомеханика, большеберцовая кость, кость, плотность, трещина, показатели интенсивности напряжения (sif)
Короткий адрес: https://sciup.org/146282990
IDR: 146282990 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.06
Finite element analysis of macro-crack behavior in the cortical bone of a human tibia
The bone is a biological tissue that possesses a highly complicated hierarchical structure; hence, the tissue components of the bone exhibit variable mechanical properties and a complex bone geometry. This is why the creation of a three-dimensional model through CAD software facilitates the study of the mechanical behavior of bones. Combining the concepts of linear elastic fracture mechanics and finite element analysis provides a practical solution to study the fracture behavior of the tibial bone. The objective of this study is to analyze the behavior of cracks in the cortical bone of the human tibia using stress intensity factors (SIF) in mode I, II, and III as rupture criteria to assess the bone damage response. The tibial bone is one of the most common sites for lower limb stress fractures, which pose problematic injuries. The results investigating the effect of the crack position in the bone demonstrate that the risk of crack propagation is mainly due to mode I opening and is highly favored in the distal zone compared to the middle and proximal regions, regardless of bone density. For the second case study, it is observed that regardless of the crack size, the maximum values of SIF KI are obtained in the distal zone. Regarding the effect of crack orientation, the results indicate the dominance of mode II for angles α = - 45°, 30°, 45°, leading to high values of SIF KII.
Список литературы Конечно-элементный анализ поведения макротрещин в кортикальной части большеберцовой кости человека
- Stress fractures / V. Bousson, M. Wybier, D. Petrover, C. Parlier, V. Chicheportiche, B. Hamzé, J.M. Sverzut, E. Daguet, A. Wyler, J. Thabet, P. Bossard, J.D. Laredo // J Radiol. – 2011. – Vol. 92, no. 3. – P. 188–207. DOI: 10.1016/j.jradio.2011.02.001.
- Review of biomechanical modelling of cortical bone stress fracture / N.N. Mansor, R. Daud, K.S. Basaruddin, M.I. Omar YeYutt // Proc. - 2015 2nd Int. Conf. Biomed. Eng. ICoBE. – 2015. – No. March. – P. 30–31. DOI: 10.1109/ICoBE.2015.7235925.
- A mechanical study of personalised Ti6Al4V tibial fracture fixation plates with grooved surface by finite element analysis / B. Liao, J. Sun, C. Xu, R. Xia // Biosurface and Biotribology. – 2021. – Vol. 7, no. 3. – P. 142–153. DOI: 10.1049/bsb2.12019.
- Koester, K.J. The true toughness of human cortical bone measured with realistically short cracks / K.J. Koester, J.W. Ager, R.O. Ritchie // Nat. Mater. – 2008. – Vol. 7, no. 8. – P. 672–677. DOI: 10.1038/nmat2221.
- Mahapatra, B. A review on prediction of bone fracture using LEFM / B. Mahapatra, B. Pal //Forces Mech. –2022. – Vol. 10, no. December. – P. 100158. DOI: 10.1016/j.finmec.2022.100158.
- Zimmermann, E.A. The fracture mechanics of human bone: influence of disease and treatment / E.A. Zimmermann, B. Busse, R.O. Ritchie // Bonekey Rep. – 2015. – Vol. 4, no. September. – P. 1–13. DOI: 10.1038/bonekey.2015.112.
- Tibial-fibular geometry and density variations associated with elevated bone strain and sex disparities in young active adults / O.L. Bruce, M. Baggaley, A. Khassetarash, I.T. Haider, W.B. Edwards // Bone. – 2022. – Vol. 161, no. May. DOI: 10.1016/j.bone.2022.116443.
- Craciun, E.M. Anti-plane crack in human bone. I. mathematical modelling / E.M. Craciun, M. Marin, A. Rabaea // Analele Stiint. ale Univ. Ovidius Constanta, Ser. Mat. – 2018. – Vol. 26, no. 1. – P. 81–90. DOI: 10.2478/auom-2018-0004.
- Gauthier, R. Crack propagation mechanisms in human cortical bone on different paired anatomical locations : biomechanical, tomographic and biochemical approaches / R. Gauthier. – 2017.
- Finite element analysis for prediction of bone strength / P.K. Zysset, E. Dall’Ara, P. Varga, D.H. Pahr // Bonekey Rep. – 2013. – Vol. 2, no. August. – P. 1–9. DOI: 10.1038/bonekey.2013.120.
- Doblaré, M. Modelling bone tissue fracture and healing: A review / M. Doblaré, J.M. García, M.J. Gómez // Eng. Fract. Mech. – 2004. – Vol. 71, no. 13–14. – P. 1809–1840. DOI: 0.1016/j.engfracmech.2003.08.003.
- Modeling and analysis of elastic fields in tibia and fibula / M. Ghosh, B.U. Chowdhury, M.S. Parvej, A.M. Afsar // AIP Conf. Proc. – 2017. – Vol. 1919, no. December. DOI: 10.1063/1.5018534.
- Akinmokun, O.I. Anthropometric Study of Adult Tibia Bone for Pre-Operative Determination of Length of Intramedullary Nail / O.I. Akinmokun // East African Orthop. J. EAOJ. – 2020. – Vol. 14, no. March. – P. 14–21.
- Antropometría de la tibia del negro Adulto: Un Estudio Sudafricano / N. Naidoo, L. Lazarus, N.O. Ajayi, K.S. Satyapal // Int. J. Morphol. – 2015. – Vol. 33, no. 2. – P. 600–606. DOI: 10.4067/S0717-95022015000200030.
- Rozé, J. Architecture osseuse et stabilité implantaire : Analyse préclinique / J. Rozé // Universite de nantes unite de formation et de recherche d’odontologie. – 2007.
- Caractérisation Biomécanique et Modélisation 3D par Imagerie X et IRM haute résolution de l’os spongieux humain : Evaluation du risque fracturaire . Ecoles Doctorales et Diplômes d’Etudes Approfondies / P.J. Meunier, M. Zidi, D. De, I. Lyon, P. Insa. – 2002.
- Mobasseri, S. Approximated 3D non-homogeneous model for the buckling and vibration analysis of femur bone with femoral defects / S. Mobasseri, M. Janghorban. – 2020. – No. May. DOI: 10.12989/bme.2020.5.1.025.
- Numerical simulation of the femur fracture under static loading / Z.M. El Sallah, B. Smail, S. Abderahmane, BB. Bouiadjra, S. Boualem // Struct. Eng. Mech. – 2016. – Vol. 60, no. 3. – P. 405–412. DOI: 10.12989/sem.2016.60.3.405.
- Benouis, A. Finite element analysis of the behaviour of a crack in the orthopedic cement / A. Benouis, A. Boulenouar, B. Serier // J. Theor. Appl. Mech. – 2016. – Vol. 54, no. 1. – P. 277–284. DOI: 10.15632/jtam-pl.54.1.277.
- Snyder, S.M. Estimation of Mechanical Properties of Cortical Bone by Computed Tomography / S.M. Snyder, E. Schneider // J. Orthop. Res. –1991. – Vol. 9, no. 17. – P. 422–431.
- Zimmermann, Y. Développement d’une Modilisation par Element Finit pour Caractérisation non Destructive de la Biomécanique Osseuse à Partir d’Images Micro-CT / Y. Zimmermann. – 2018.
- Lagrou, D. Evaluation and modelling of knee kinematics based on medical imaging and cadaver test data Dries Lagrou / D. Lagrou // Faculty of Engineering and Architecture Academic. – 2014.
- Zhou, K. Effects of Bone-Plate Material on the Predicted Stresses in the Tibial Shaft Comminuted Fractures: A Finite Element Analysis / K. Zhou, H. Yang // J. Investig. Surg. – 2022. – Vol. 35, no. 1. – P. 132–140. DOI: 10.1080/08941939.2020.1836290.
- Crack propagation in the tibia bone within total knee replacement using the extended finite element method / H.Q. Nguyen, T.N.T. Nguyen, T.Q.D. Pham, V.D. Nguyen, X. Van Tran, T.T. Dao // Appl. Sci. – 2021. – Vol. 11, no. 10. – P. 1–18. DOI: 10.3390/app11104435.
- Alshoaibi, A. Fatigue life and crack path prediction in 2D structural components using an adaptive finite element strategy / A. Alshoaibi, A.K. Ariffin, // Metals (Basel). – 2008. – Vol. 3, no. 1. – P. 97–104. DOI: 10.3390/met10101316.
- Finite Element Model of Crack Growth under Mixed Mode Loading / S. Miloud, A. Muchtar, A.K. Ariffin, M. Ali, M.I. Fadhel, B. Abu Zneid // Int. J. Mater. Eng. – 2012. – Vol. 2, no. 5. – P. 67–74. DOI: 10.5923/j.ijme.20120205.02.
- Aliha, M.R.M. Rock Fracture Toughness Study Under Mixed Mode I/III Loading / M.R.M. Aliha, A. Bahmani // Rock Mech. Rock Eng.. – 2017. – Vol. 50, no. 7. – P. 1739–1751. DOI: 10.1007/s00603-017-1201-7.
- Aliha, M.R.M. Determination of mode III fracture toughness for different materials using a new designed test configuration / M.R.M. Aliha, A. Bahmani, S. Akhondi // Mater. Des. – 2015. – Vol. 86. – P. 863–871. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.08.033.
- Liu, S. Tensile-shear transition in mixed mode I/III fracture / S. Liu, Y.J. Chao, X. Zhu, // Int. J. Solids Struct. –2004. – Vol. 41, no. 22–23. – P. 6147–6172. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2004.04.044.
- Seifi, R. Fatigue crack growth under mixed mode I+III loading / R. Seifi, N. Omidvar, // Mar. Struct. – 2013. – Vol. 34. – P. 1–15. DOI: 10.1016/j.marstruc.2013.07.001.
- Aliha, M.R.M. A novel test specimen for investigating the mixed mode I+III fracture toughness of hot mix asphalt composites - Experimental and theoretical study / M.R.M. Aliha, A. Bahmani, S. Akhondi // Int. J. Solids Struct. – 2016. – Vol. 90. – P. 167–177. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2016.03.018.
- Bahmani, A. Investigation of fracture toughness for a polycrystalline graphite under combined tensile-tear deformation / A. Bahmani, M.R.M. Aliha, F. Berto // Theor. Appl. Fract. Mech. – 2017. – Vol. 90. – P. 53–64. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.02.011.
- Geometry and size effects on fracture trajectory in a limestone rock under mixed mode loading / M.R.M. Aliha, M.R. Ayatollah, D.J. Smith, M.J. Pavier // Eng. Fract. Mech. –2010. – Vol. 77, no. 11. – P. 2200–2212. DOI: 0.1016/j.engfracmech.2010.03.009.
- Avci, A. Mixed-mode fracture behavior of glass fiber reinforced polymer concrete / A. Avci, A. Akdemir, H. Arikan // Cem. Concr. Res. – 2005. – Vol. 35, no. 2. – P. 243–247. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.07.003.
