نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• فرشته علیزاده فرد ¹
• مجید میرزائی ²

¹ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

² دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

با توجه به کاربرد ازمایش و تحلیل شکست استخوان در هر دو حوزه پزشکی و مهندسی، یافتن نمونه مناسب برای اندازه‏گیری خواص مکانیکی شکست بسیار بااهمیت است. لذا در این مطالعه، تحلیل تجربی و عددی شکست استخوان کورتیکال گوساله برای 4 ناحیه آناتومیک با استفاده از نمونه‏های کمان-شکل انجام شد.
تست تجربی شکست برای نمونه‏های کمان-شکل در دمای محیط انجام شد. در عمل فاکتور شدت تنش با استفاده از فرمول تحلیلی استاندارد برای نمونه‏های کمان-شکل و روش مدل المان محدود مربوط به نمونه‏ها محاسبه شد. به منظور صحت‏سنجی مدل المان محدود، نتایج تحلیل تنش و کرنش با نتایج بدست آمده از روش برهم‏نگاری تصاویر دیجیتالی مقایسه شدند.
توافق بسیار خوب بین نتایج تحلیل تنش و کرنش عددی و تجربی، نشان‏دهنده دقت تحلیل المان محدود می‏باشد. در این مطالعه، ارتباط خوبی در شروع و رشد ترک بین نتایج تجربی و المان محدود و همچنین مقادیر چقرمگی شکست بدست آمده از روش عددی با دیگر مطالعات وجود داشت. همچنین نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‏دهد که فاکتور شدت تنش تحلیلی می‏تواند نتایج دقیقی برای نمونه‏های کمان-شکل که از نواحی آناتومیک خلفی و قدامی ایجاد می‏شود، ارائه کند. اگرچه برای نواحی آناتومیک میانی و جانبی، تنها مدل المان محدود می‏تواند دقت لازم را فراهم کند.

کلیدواژه‌ها

• "استخوان کورتیکال"
• "روش المان محدود"
• "نمونه کمان-شکل"
• "تحلیل تنش"
• " برهم ‏نگاری تصاویر دیجیتال"
• "چقرمگی شکست"

موضوعات

• بیومکانیک استخوان

عنوان مقاله [English]

Determination of fracture properties of cortical bone using arc-shaped specimen

نویسندگان [English]

• Fereshteh Alizadeh Fard ¹
• Majid Mirzaei ²

¹ Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

² Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Regarding the application of testing and analysis of bone fractures in both medical and engineering fields, finding proper specimens for measuring fracture properties is important. In this study, the experimental and numerical fracture analyses of bovine cortical bone were performed for 4 anatomical regions using arc-shaped specimens.
The tensile fracture tests for arc-shaped specimens were performed at ambient temperature. In practice, the stress intensity factor was calculated using standard analytical formula for arc-shaped specimens and also the related finite element (FE) models. In order to validate the FE models, the stress and strain analyses results were compared with the results obtained from digital image correlation (DIC) method.
The very good agreement between these results was indicative of the accuracy of FE analyses. There were also good correlations between the initiation and propagation of crack from both experimental and FE results and the measured fracture toughness values were in good agreement with those reported in the literature. The results of this study showed that the analytical stress intensity expressions can give accurate results for the arc-shaped specimens excised from posterior and anterior regions. However, for the medial and lateral regions only the FE models can provide the required accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

• "Cortical bone"
• "Finite element method"
• "Arc-shaped specimen "
• "Stress analysis"
• " Digital image correlation"
• "Fracture toughness "