بررسي عددي كمانش ديناميكي استخوان مبتلا به عارضه پوكي با خواص مكانيكي متفاوت

Numerical Investigation of Dynamic Buckling of Osteoporotic with Different Mechanical Properties

در اين مقاله با استفاده از روش المان محدود، نمونه اي از استخوان به صورت ديناميكي تحت بارگذاري فشاري محوري قرار داده شده و با افزايش شدت بارگذاري، تغييرات كرنش نسبت به زمان بدست آمده است. شدت باري كه در آن با افزايش ديناميكي بار تغييرات جهشي در كرنش بوجود ميآيد، به عنوان بار بحراني كمانش ثبت ميشود. در اين تحليل، فرض بر اين است كه استخوان رفتار ويسكوالاستيك از خود نشان مي­دهد. براي مدل كردن رفتار ويسكوالاستيك استخوان از مدل ماكسول استفاده شده است. زماني كه بار ديناميكي به صورت ضربه اي بر يك جسم ويسكوالاستيك وارد ميشود، به دليل بروز سفتي ويسكوزي گذرا كمانش ديناميكي رخ ميدهد. براي شبيه­ سازي عددي استخوان مدلهاي گوناگوني ارائه شده است كه يكي از رايجترين آنها مدل استوانه ي پوسته اي ميباشد. خواص ويسكوالاستيكي استخوان با انجام تستهاي خزش و وادادگي در زمانهاي مختلف بدست مي آيند. در اين مقاله، به دليل تغييرات شديد چگالي در اثر بروز عارضه پوكي استخوان، بارهاي بحراني به ازاي چگالي هاي مختلف بدست آمده و با هم مقايسه شده اند. نتايج بيان­گر آن است كه بر خلاف كمانش استاتيكي، كمانش ديناميكي وابستگي بسيار ناچيزي به چگالي ماتريس استخوان دارد.

In this study, an osteoporotic sample has been simulated with finite element method and increasing dynamical axial loading has been applied to achieve strain variations with time. The critical load which causes sudden changes in strain is considered as critical load of buckling. In this study, bone is assumed to have a viscoelastic behavior and Maxwell’s viscoelastic model is used for modeling of its behaviors. Impact load causes transient stiffness in viscoelastic materials, which is the trigger for having dynamical buckling. Various models are proposed for computational studies of bone. The most common model is bone-shell model (BSM). Viscoelastic properties of bone are achieved by creep and relaxation tests in different times. Since density variation in osteoporotic bones is high, different critical loads are calculated for different densities and compared with each other. The obtained results show that, despite of static buckling, dynamic buckling has a really low sensitivity to density of bone matrix.