مدل‌ سازي شكست به روش ميدان فاز در بافت استخواني كورتيكال انسان

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

بافت استخواني كورتيكال از واحدهاي استوانه‌اي شكل به نام استئون تشكيل شده‌اند كه وظيفه مقاومت در برابر شكستگي و انتقال بار اعمالي را دارند. اين بافت متراكم در ساختار سلسله مراتبي استخوان قرار گرفته‌ است. در مقياس ريزساختار، مكانيزم‌هاي سفت كننده بالقوه زماني اتفاق مي‌افتند كه ترك‌ها با اجزاي سازنده ريزساختار استخواني در تعامل باشند و ريزترك‌ها به‌راحتي در امتداد رابط‌هاي ضعيف يا به‌اصطلاح خطوط سيماني شكل مي‌گيرند. با افزايش سن، خواص شكست بافت استخواني كورتيكال تغيير مي‌كند و بافت استخوان ممكن است شكننده‌تر و مستعد شكستگي شود. بااين‌حال، رابطه بين افزايش خطر شكستگي و تغييرات وابسته به افزايش سن و بيماري‌هاي استخواني در ساختار و تركيب استخوان كورتيكال به‌درستي كشف نشده است. مدل‌سازي محاسباتي مي‌تواند به‌عنوان روشي مكمل براي تكنيك‌هاي تجربي در شناسايي و تشخيص اثرات مكانيزم‌هاي آسيب مختلف بر روي استخوان كورتيكال به كار گرفته شود. به‌منظور بررسي تأثير خواص مكانيكي و ويژگي‌هاي مورفولوژيكي ريزساختار بر شكستگي استخوان كورتيكال، مدل شكست ميدان فاز به دليل توانايي آن در شناسايي مسيرهاي پيچيده ترك، به هم پيوستن و انشعاب ترك‌ها براي شبيه‌سازي پيدايش و انتشار ترك‌ها از طريق بافت بينابيني و استئون‌ها پياده‌سازي شد. از سوي ديگر، توانايي مدل ناحيه چسبي مبتني بر سطح (CZM) و مدل ميدان فاز براي مدل‌سازي مشاهدات تجربي گسيختگي پيوند بين بافت بينابيني و استئون‌ها مقايسه شدند. چارچوب مدل‌سازي محاسباتي توسعه داده‌شده بر اساس تصاوير ميكروسكوپي براي حجمك نماينده (RVE) شامل بافت بينابيني، استئون‌ها و خطوط سيماني براي انجام مطالعه پارامتري با هدف شناسايي ويژگي‌هاي مهم خواص مواد به كار گرفته شد. علاوه بر اين، به‌منظور مطالعه تأثير افزايش سن و درنتيجه افزايش تخلخل بر پاسخ شكست بافت استخواني كورتيكال، چندين نمونه حجمك نماينده با درصد تخلخل 0%، 7/3%، 7%، 9% و 15% مدل‌سازي شدند. نتايج حاصله نشان مي‌دهند كه برخلاف مدل‌هاي محاسباتي پيشين ازجمله رويكرد سطوح چسبي كه قادر به مدل‌سازي انحراف ترك در مواجهه با خطوط سيماني و يا نفوذ ترك به استئون‌ها نيستند، مدل ميدان فاز به‌خوبي توانايي مدل‌سازي الگوهاي پيچيده ترك در هندسه‌هاي دو‌بعدي و سه‌بعدي را داراست. به‌عنوان‌مثال، با افزايش تخلخل از 7/3% به 15% ترك توسط كانال‌هاي هاورسيان جذب مي‌شود و انرژي كرنشي كل و حداكثر بار قابل‌تحمل به ترتيب 54% و 36% كاهش مي‌يابند. از سوي ديگر، افزايش نسبت عدم تطابق در خواص شكست بين ماتريس بينابيني و استئون‌ها از 15% به 70% منجر به انحراف بيشتر مسير رشد ترك توسط خطوط سيماني مي‌شود.

218549

طراحي جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان