تحليل آزمايشگاهي و محاسباتي نيرو و الگوي شكست استخوان ران انسان با استفاده از مدل ناحيه چسبنده

Experimental and Computational Analysis of Fracture Load and Pattern of Human Femur using Cohesive Zone Model

شكست استخوان ران از جمله پر اهميت ترين دلايل ناتواني و مرگ، علي الخصوص در ميان سالمندان به شمار مي آيد. بنابراين تلاش هاي جهاني براي تحقيق در زمينه ارزيابي غيرتهاجمي شكست استخوان ران در حال انجام است. در اين تحقيق، به منظور مطالعه رفتار استخوان ران تحت بارگذاري هاي مختلف، استخوان ها به دو گروه استخوان ها با بارگذاري منتج به سفتي بالا و با بارگذاري منتج به سفتي پايين تقسيم بندي شده اند. تحليل آزمايشگاهي و محاسباتي الگوهاي تغييرفرم و شكست استخوان با استفاده از تصاوير برش نگاري كمي كامپيوتري و روش اجزا محدود صورت گرفته شده است. براي پيش بيني نيرو و الگوي شكست استخوان ران براي گروه استخوان ها با بارگذاري منتج به سفتي بالا از تحليل خطي و براي گروه استخوان ها با بارگذاري منتج به سفتي پايين از تحليل غيرخطي المان محدود استفاده شده است. در تحليل المان محدود اين گروه، از مدل ناحيه چسبنده براي مدل سازي شروع و رشد آسيب استفاده شده است. مقايسه نتايج تحليل عددي و نتايج آزمون-هاي تجربي نشان دهنده شبيه سازي و پيش بيني موفق شكست استخوان ران تحت بارگذاري هاي مختلف بوده است.

Fracture of femur is considered as one of the most significant causes of disability and death, especially among the elderly. Therefore, there is a global effort towards noninvasive assessment of the femoral fractures. This study was aimed at investigation of the mechanical behavior of human femur subjected to various loading orientations, under the two categories of high-stiffness (HS) and low-stiffness (LS) loading conditions. The experimental and computational analysis of deformation and fracture patterns were carried out using the QCT images and finite element analysis. The predictions of the force and fracture pattern of the HS and LS specimens were performed using linear and nonlinear finite element analyses, respectively. Also, the cohesive zone model (CZM) was used to simulate the damage initiation and propagation in the finite element analysis of latter specimens. Comparison between the results of the numerical analysis and the experimentation showed successful simulation and prediction of fracture force of human femur under various loading orientations.