Конечно-элементный анализ поведения макротрещин в кортикальной части большеберцовой кости человека

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.

Еще

Биомеханика, большеберцовая кость, кость, плотность, трещина, показатели интенсивности напряжения (sif)

Короткий адрес: https://sciup.org/146282990

IDR: 146282990   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.06

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.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp