استفاده از روش بهينه آركان جهت بررسي فاكتور شكست استخوان

Analysis of Fracture Modes in Cortical bone Using Optimized Arcan’s Device

استخوان‌ها در بدن انسان بسته به نوع فعاليت ممكن است تحت بارهاي مختلف كششي، فشاري و پيچشي قرار داشته باشند. با توجه به نوع ترك و نوع بارگذاري تا كنون تنها مود اول شكست جهت بررسي چقرمگي شكست مورد توجه قرار گرفته است. اين در شرايطي است كه براي تحليل واقعي شكست بايد مودهاي مختلف شكست را مورد بررسي قرار داد تا به نتايج دقيق‌تري دست يافت. در اين تحقيق به بررسي عددي و آزمايشگاهي مودهاي اول، دوم و تركيبي شكست استخوان كورتيكال داراي ترك پرداخته شده است. براي به‌دست آوردن چقرمگي شكست استخوان، از تحليل المان محدود و محاسبه ضريب تصحيح هندسي استفاده شد. از نمونه‌هاي تهيه شده از استخوان تيبياي گاو جهت ساخت نمونه هاي كششي استاندارد مورد استفاده در دستگاه فيكسچر آركان استفاده شد. براي انجام فرايند تست تغييرات ساختاري بر روي طرح فيكساتور آركان اعمال و نمونه آن جهت انجام تحقيق ساخته گرديد. اين تغييرات شامل نحوه قرارگيري نمونه در فيكساتور و نيز امكان انجام آزمايش در زواياي مختلف بوده است. پارامتر فاكتور شدت تنش Kc براي مودهاي مختلف شكست به‌دست آمد. نتايج نشان داد كه KIC و KIIC با تغييرات زواياي بارگذاري مقادير مختلفي را نشان مي دهند. نتايج بيانگر آن بود كه KIC با تغييرات زواياي بارگذاري مقادير كمتري را تجربه مي كند و اين در حالي بود كه KIIC عكس چنين رفتاري را نشان داد. همچنين با اعمال برخي تغييرات فيكساتور بهينه شده مي‌تواند براي ايجاد شرايط اندازه‌گيري مود سوم شكست در دستگاه تست پيچش نيز استفاده نمود.

Human bones experience different modes of loading including tension, compression, bending, and torsion. The modes of loading depend on the activities performed by the body. Regarding the crack shape and loading modes, by the time only the first mode of fracture has been studied in order to analyze the fracture toughness. However, it is necessary to analyze different modes of fracture in order to achieve more reliable results. In this research, finite element analysis and calculations for geometric coefficients were done to obtain the toughness of bone. Hence,first, second, and combined modes of fracture in cortical samples having cracks were studied numerically and experimentally. To this end, bovine tibia was used to make standard tensile samples for implementation in Arcan’s device. Some optimizations were made on the Arcan’s device. These were included of bone fixation in the device and ability of performing tests in different angels. Stress intensity factor (Kc) was obtained for different fracture modes. Results showed a decrease in KIc with respect to change in loading angle while KIIc acted vice versa. Performing some extra optimizations, the device can be used for torsional fracture mode in a torsion test device.