آناليز دوبعدي ميكرومكانيكي شكست در بافت متراكم استخوان انسان به روش ميدان فاز

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

استخوان، به عنوان چارچوب اصلي بدن، داراي ساختار سلسله مراتبي است كه وظيفه‌ي حفاظت و حمايت از اندام‌هاي داخلي بدن را در برابر ضربه و آسيب‌هاي ديگر دارد. اين ساختار داراي آرايش پيچيده‌اي در مقياس‌هاي طولي متفاوت است كه به آن قابليت‌هاي مكانيكي، شيميايي و زيستي منحصر به فردي مي‌دهد. براي شناخت خصوصيات مكانيكي استخوان، بايد ساختار سلسله مراتبي و همچنين تركيب استخوان در نظر گرفته شود. همچنين، اندازه‌گيري تجربي پارامتر‌هاي آسيب به صورت محلي و تشخيص چگونگي مقاومت در برابر شكست توسط ريزساختار استخوان و تغييرات اجزاي ريزساختاري بسيار چالش برانگيز خواهد بود. در اين ميان، به كمك مدل‌هاي كامپيوتري مي‌توان به درك درستي از ارتباط ويژگي‌هاي اجزاي ريزساختار استخوان و رفتار شكست استخوان رسيد. در پژوهش حاضر مدل‌هاي عددي دوبعدي از ريزساختار بافت متراكم استخواني به صورت كامپوزيت‌هاي سه‌فازي و چهار‌فازي به كمك اسكرپيت‌نويسي با زبان پايتون ايجاد شد و به عنوان ورودي به نرم‌افزار آباكوس داده شد. سپس، به كمك فرمول‌بندي روش ميدان فاز كه به صورت سابروتين در نرم‌افزار آباكوس پياده‌سازي شد به تحليل شكست در برش عرضي بافت متراكم تحت بارگذاري كششي پرداخته شد. همچنين، جهت پياده‌سازي روش ميدان‌فاز، با توسعه روابط موجود از اين روش در مطالعات پيشين و با در نظرگرفتن شرايط مسئله و توابع انتخابي، معادله‌اي براي پارامتر طول مشخصه ميدان فاز استخراج گرديد. در ابتدا، به عنوان مسئله محك، داده‌هاي مربوط به استخوان لگن گاو به كامپوزيت سه‌فازي نسبت داده شد و پس از اعتبارسنجي روش ميدان فاز پياده‌سازي شده، شبيه‌سازي اصلي براي مدل‌هاي سه‌فازي و چهار‌فازي با داده‌هاي مربوط به بافت متراكم استخوان انسان انجام گرديد. رفتار تنش-كرنش بدست آمده از مسئله محك با نتايج مطالعه پيشين در اين زمينه مقايسه شد و مشابهت در نتايج، اعتبار روش ميدان فاز پياده‌سازي شده را تضمين نمود. سپس براي هر يك از مدل‌هاي سه‌فازي و چهارفازي شبيه‌سازي شده با داده‌هاي انساني، نمودار تنش-كرنش در حالت بارگذاري كششي استخراج شد. خروجي‌هاي بدست آمده از شبيه‌سازي انجام شده روي دو مدل عددي با يكديگر متفاوت بود. تفاوت نتايج در دو مدل مختلف ساختاري نشان دهنده نقش مهم ريزساختار بافت استخوان در شكست مي‌باشد. نتايج بدست آمده نشان داد كه استحكام نهايي مدل سه‌فازي از مدل چهارفازي بيش‌تر است. در واقع، وجود خطوط سيماني به عنوان يك فاز مادي ضعيف‌تر نسبت به ساير فاز‌هاي مادي موجب اين اختلاف شد. در مقابل، انعطاف‌پذيري مدل چهار‌فازي نسبت به مدل سه‌فازي بيش‌تر شد. در اين مطالعه، نقش خطوط سيماني در افزايش انعطاف‌پذيري و كاهش استحكام نهايي نشان داده شد. اين ويژگي مي‌تواند مكانيزمي براي انحراف و يا حتي توقف ترك در مدل ساختاري باشد. همچنين در پايان كار، اثر افزايش تخلخل بر كاهش استحكام نهايي استخوان بررسي شد و نشان داده شد كه با افزايش تخلخل، استحكام نهايي به طور چشمگيري كاهش پيدا خواهد كرد. نتايج مقالات پيشين در اين زمينه براي كمك به توسعه مدل‌هاي عددي و اعتبارسنجي نتايج بدست آمده استفاده گرديد.

228182

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان