پیش‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 تربیت مدرس-مهندسی مکانیک

2 تربیت مدرس*مهندسی مکانیک

3 گروه هوافضا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

پیشرفت‌ّهای صورت گرفته در روش المان محدود توسعه‌یافته امکان پیش‌بینی مسیر شکست را بدون دانش قبلی در مورد آن فراهم آورده است. در همین راستا، هدف این پژوهش پیش‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان‌محدود بر مبنای وکسل است. با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته به همراه مکانیزم آسیب غیر ایزوتروپیک، به بررسی چگونگی شکست استخوان ران برای 3 نمونه‌ی انسانی پرداخته می‌شود. مکانیزم آسیب غیرایزوتروپیک متشکل از 4 معیار شکست به صورت ترکیبی از معیار‌های هاشین و تنش بیشینه اصلی است. این مکانیزم آسیب با هدف در نظر گرفتن خواص ناهمگن و غیرایزوتروپیک استخوان توسعه داده‌شده است. مدل‌هایی از سه استخوان ران با استفاده از روش برش‌نگاری کمی ساخته‌شده و تحت بارگذاری مشخصی قرار گرفته‌اند. نیروی فشاری مورد نظر با زوایای 15- درجه نسبت به صفحات کرونال و سجیتال به سر استخوان ران وارد شده است. مسیرهای شکست متفاوتی برای استخوان شبیه‌سازی شدند. برای بررسی میزان دقت و توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک یک مقایسه یک‌به‌یک میان نتایج مدل‌سازی عددی و نتایج تست‌های مکانیکی انجام‌گرفته است. تناظر قابل قبولی در مورد ناحیه‌ی شروع ترک و مسیر رشد ترک، میان مدل‌سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی دیده شد که بیانگر توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک است. نتایج به‌دست‌آمده از روش عددی پیشنهادشده در این پژوهش، محل شروع آسیب و مسیر رشد ترک را به خوبی نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The prediction of femoral fracture location using extended finite element method

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Sadat Alavi 1
  • Majid Mirzaee 2
  • Ramin Shahbad 3
1 تربیت مدرس-مهندسی مکانیک
2 Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
3 Aerospace department, faculty of mechanical engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The advances in extended finite element method (XFEM) enable prediction of crack initiation and propagation without prior knowledge about the crack pattern. In this regard, the purpose of this study was to investigate human femoral fracture location using voxel-based finite element (FE) simulation. The simulation was developed in terms of anisotropic failure mechanism coupled to the extended finite element method (XFEM) to describe the femoral progressive fracture pattern in specimen-specific models. Anisotropic failure mechanism (4 damage criteria) were developed based on the combination of Hashin failure criteria and maximum principal stress criterion to capture femur fracture behavior dependency on femur anisotropy and heterogeneity. Three specimen-specific femur FE models were constructed based on CT-scan images under a particular loading condition. The various forms of transcervical, basicervial and subtrochantric fractures were simulated. To demonstrate the potential of the current approach, a one to one comparison of predicted XFEM fracture pattern and experimental results were performed. A good agreement was obtained between the predicted and observed fracture patterns suggesting that the proposed failure mechanism in XFEM is capable to simulate femoral fracture type and progressive crack propagation. The presented results indicated that the crack on-set location and subsequent crack trajectories can be correctly captured using the proposed anisotropic failure mechanism in XFEM.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bone fracture
  • extended finite element method
  • anisotropic damage criteria
  • non-linear finite element simulation
  • Fracture mechanics