توصيفگر ها :
بافت متراكم استخوان , ريزساختار , شكست , روش ميدان فاز , طول مشخصه ميدان فاز , كامپوزيت سه فازي , كامپوزيت چهارفازي , خط سيماني , تخلخل
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Bone, serving as the body’s primary framework, has a hierarchical structure responsible for protecting and supporting the body’s internal organs against impacts and other injuries. This structure features a complex arrangement at different longitudinal scales, endowing it with unique mechanical, chemical, and biological capabilities. To understand the mechanical properties of bone, one must consider its hierarchical structure as well as its composition. Moreover, the empirical measurement of damage parameters locally and the determination of resistance to fracture by the bone’s microstructure and the changes in its microstructural components will be highly challenging. In this context, computational models can aid in accurately understanding the relationship between the features of the bone’s microstructural components and its fracture behavior. In the current research, two-dimensional numerical models of the cortical tissue microstructure of bone were created as three-phase and four-phase composites using scripting in Python and were imported into the Abaqus software. Subsequently, fracture analysis in the transverse section of dense tissue under tensile loading was conducted using the phase-field method formulation, which was implemented as a subroutine in Abaqus. Additionally, for the implementation of the phase-field method, an equation for the phase-field characteristic length parameter was derived by developing existing relationships from this method in previous studies and considering the problem conditions and selected functions. Initially, as a benchmark problem, data related to bovine pelvic bone was attributed to a three-phase composite, and after validating the implemented phase-field method, the primary simulation was performed for three-phase and four-phase models with data related to human cortical bone tissue. The stress-strain behavior obtained from the benchmark problem was compared with the results of a previous study in this field, and the similarity in results ensured the validity of the implemented phase-field method. Then, for each of the simulated three-phase and four-phase models with human data, a stress-strain diagram in the tensile loading state was extracted. The outputs obtained from the simulation performed on the two numerical models differed from each other. The difference in results between the two different structural models indicates the significant role of the bone tissue microstructure in fracture. The results showed that the ultimate strength of the three-phase model is greater than that of the four-phase model. In fact, the presence of cement lines as a weaker material phase compared to other material phases caused this difference. Conversely, the flexibility of the four-phase model was greater than that of the three-phase model. This study demonstrated the role of cement lines in increasing flexibility and reducing ultimate strength. This feature could be a mechanism for deviation or even stopping a crack in the structural model. Additionally, at the end of the work, the effect of increased porosity on the reduction of the final strength of the bone was examined, and it was shown that with increased porosity, the final strength will significantly decrease. The results of previous articles in this field were used to help develop numerical models and validate the obtained results.
