تحليل عددي المان محدود توسعه‌يافته و تجربي رفتار مكانيكي كامپوزيت پلي‌سولفون- شيشه زيست‌فعال s58 تهيه‌شده توسط روش ريخته‌گري حلال

The Extended Finite Element Method Numerical and Experimental Analysis of Mechanical Behavior of Polysulfone/58s Bioactive Glass Synthesized through Solvent Casting Method

كامپوزيت‌هاي زيست‌فعال، مانند پلي‌سولفون- شيشه زيست‌فعال، خواص مكانيكي بهتري نسبت به مواد خالص دارند و خواص آنها به استخوان انسان نزديك‌تر است. در اين پژوهش، از روش المان محدود توسعه‌يافته استفاده شده است، تا رفتار ناشناخته شكست كامپوزيت با دقت قابل قبول مدل‌سازي شود. در روش المان محدود توسعه‌يافته، استفاده از مش‌ريزي در هر مرحله ضروري نيست و با بهره‌گيري از توابع تحليلي خاص (توابع غني‌ساز) براي هر ناپيوستگي، دقت تقريب در تكينگي‌ها افزايش مي‌يابد. هدف از استفاده از روش المان محدود توسعه‌يافته، به‌دست‌آوردن ضريب شدت تنش، جابه‌جايي‌ها، تنش در اطراف نوك ترك، چقرمگي شكست و نرخ آزاد‌سازي انرژي كرنشي است. علاوه‌بر اين، كامپوزيت پلي‌سولفون- شيشه s58 با 30% حجمي شيشه زيست‌فعال و با استفاده از روش ريخته‌گري حلال توليد و آزمون شكست خمشي براساس استاندارد مربوطه انجام شد. همچنين براي ظاهرسازي كيفيت ناپيوستگي در فصل مشترك ذرات شيشه و زمينه پلي‌سولفون، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني از سطح شكست نمونه‌هاي آزمون خمش تهيه شد. رابطه بسيار نزديكي بين ناپيوستگي اجزاي كامپوزيت و ضعف در پاسخ مكانيكي و شكست كامپوزيت ساخته‌شده وجود دارد. چقرمگي شكست به‌دست‌آمده در محدوده 1/4 تا 1/6مگاپاسكال در راديكال‌متر و نرخ آزاد‌سازي انرژي كرنشي در محدوده 1600 تا 1900ژول بر متر مربع و قابل مقايسه با مقادير مربوط به استخوان طبيعي بدن انسان است. همچنين ضريب شدت تنش و نرخ آزاد‌سازي انرژي كرنشي توسط كدنويسي در متلب و مدل‌سازي در آباكوس به‌دست آمده و با نتايج تجربي و تحليلي مقايسه شده‌اند كه بيانگر مطابقت خوب نتايج عددي با نتايج تجربي و تحليلي است.

The composites derived from the bioactive glasses, such as BG/polysulfone, have better mechanical properties than pure materials and their characteristics are closer to human bone. In this study, the unknown fracture behavior of 58s BG/PSF composite has been investigated. The extended finite element method (XFEM) was used, in order to model the fracture behavior of 58s BG/PSF composite with greater accuracy. The XFEM doesn’t require remeshing at each step and achieves the precise approximation of singularities by incorporating discontinuity behavior into the elements using the enrichment functions. The aim of using the XFEM was to obtain stress intensity factors, displacements, stress and strain around the crack tip, fracture toughness as well as strain energy release rate. Moreover, the 58s BG/PSF composite with 30% bioactive glass particles was synthesized using solvent casting method and the bending failure test was performed according to the relevant standard. Also, to demonstrate the quality of the interface between the glass particles and polysulfone, SEM investigation was performed on the fracture surface. The obtained fracture toughness was in the range of 1.4 to 1.6 MPa√m, and the strain energy release rate was in the range of 1600 to 1900 J.m-2, which was comparable to the same properties of natural human bone. Besides, the stress intensity factors and strain energy release rates were calculated by coding in MATLAB and modeling in ABAQUS, and the numerical results were validated with the analytical and experimental data and it was revealed that the numerical results were in great coordinance with the analytical and experimental results.