Numerical modelling of impact fracture of cortical bone tissue using X-FEM

Abdel-Wahab, A. A.; Silberschmidt, V. V.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Numerical modelling of impact fracture of cortical bone tissue using X-FEM

Autorzy

Abdel-Wahab A. A. , Silberschmidt V. V.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

httpwww_ptmts_org_pl2011-3-abdel-wahab-s.pdf

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Modelowanie numeryczne złamania uderzeniem istoty korowej kości za pomocą rozszerzonej metody elementów skończonych

Języki publikacji

Abstrakty

A cortical bone tissue is susceptible to fracture that can be caused by events, such as traumatic falls, sports injuries and traffic accidents. A proper treatment of bones and prevention of their fracture can be supported by in-depth understanding of deformation and fracture behaviour of this tissue in such dynamic events. Parameters such as damage initiation under impact, damage progression and impact strength can help to achieve this goal. In this paper, Extended Finite-Element Method (X- FEM) implemented into the commercial finite-element software Abaqus is used to simulate the actual crack initiation and growth in a cantilever beam of cortical bone exposed to quasi-static and impact loading using the Izod loading scheme. Izod tests were performed on notched bone specimens of bovine femur to measure its impact strength and to validate simulations. The simulation results show a good agreement with the experimental data.

Istota korowa kości jest tkanką podatną na złamanie wywołane m.in. takimi zdarzeniami jak upadki, kontuzje sportowe czy wypadki samochodowe. Odpowiednie leczenie czy profilaktyka stanu kości powinny być wsparte głębokim zrozumieniem zjawisk deformacji i pękania tej tkanki zachodzących podczas takich dynamicznych obciążeń. Znajomość parametrów opisujących inicjację uszkodzenia pod wpływem obciążenia uderzeniowego, progresja tego uszkodzenia i wreszcie odporność na złamanie może być pomocna w tej praktyce. W prezentowanej pracy przedyskutowano implementację rozszerzonej metody elementów skończonych (X-FEM) do standardowego i komercyjnego pakietu ABAQUS w celu symulacji faktycznych zjawisk towarzyszących inicjacji i propagacji pęknięcia belki wykonanej z materiału oddającego właściwości istoty korowej poddanej działaniu quasi-statycznych i uderzeniowych obciążeń, wspartej próbami udarnościowymi Izoda. Testy Izoda zostały przeprowadzone na przygotowanych próbkach z bydlęcej kości udowej z naciętym karbem w celu eksperymentalnej weryfikacji wytrzymałości na uderzenie. Rezultaty badań numerycznych wykazały dobrą zgodność z wynikami tych prób.

Słowa kluczowe

cortical bone impact X-FEM finite element method fracture

Wydawca

Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej

Czasopismo

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

Rocznik

2011

Tom

Vol. 49 nr 3

Strony

599--619

Opis fizyczny

Bibliogr. 39 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Abdel-Wahab A. A.

autor

Silberschmidt V. V.

Loughborough University, Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough, Leicestershire, UK, a.a.mohamed@lboro.ac.uk

Bibliografia

1. Abaqus 6.10, 2010, Analysis user’s manual, Section 10.6.1
2. Abdel-Wahab A.A., Maligno A., Silberschmidt V.V., 2010, Dynamic properties of cortical bone tissue: Izod tests and numerical study, Comput. Mater. Continua, 19, 3, 217-238
3. Abdel-Wahab A.A., Alam K., Silberschmidt V.V., 2011, Analysis of anisotropic viscoelastoplastic properties of cortical bone tissues, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., DOI.org/10.1016/j.jmbbm.2010.10.001
4. Augat P., Schorlemmer S., 2006, The role of cortical bone and its microstructure in bone strength, Age Ageing, 35-s2, ii27-ii31
5. Bayraktae H.H., Morgan E.F., Niebur G.L., Morris G.E., Wong E.K., Keaveny T.M., 2004, Comparison of the the elastic and yield properties of human femoral trabecular and cortical bone tissue, J. Biomech., 37, 27-35
6. Belytschko T., Black T., 1999, Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing, Int. J. Numer. Meth. Eng., 45, 5, 601-620
7. Bonney H., Colston B.J., Goodman A.M., 2011, Regional variation in the mechanical properties of cortical bone from the porcine femur, Med. Eng. and Phys., 33, 4, 513-520
8. Cox B.N., Yang Q., 2007, Cohesive zone models of localization and fracture in bone, Eng. Fract. Mech., 74, 1079-1092
9. Cullinane D.M., Einhorn T.A., 2002, Biomechanics of bone, [In:] Principles of Bone Biology, Bilezikian J.P., Raisz L.G., Rodan A.R. (Edit.), San Diego, USA, Academic Press, 1
10. Currey J.D., 2004, Tensile yield in compact bone is determined by strain, post yield behaviour by mineral content, J. Biomech., 37, 549-556
11. Feng Z., Rho J., Ziv I., 2000, Orientation and loading condition dependence of fracture toughness in cortical bone, Mater. Sci. Eng. C, 11, 41-46
12. Katsamanis F., Raftopoulos D.D., 1990, Determination of mechanical properties of human femoral cortical bone by the Hopkinson bar stress technique, J. Biomech., 23, 11, 1173-1184
13. Koester K.J., Ager III J.W., Ritchie R.O., 2008, The true toughness of human cortical bone measured with realistically short cracks, Nat. Mater., 7, 672-677
14. Kovan V., 2008, An assessment of impact strength of the mandible, J. Biomech., 41, 16, 3488-3491
15. Kulin R.M., Jiang F., Vecchio K.S., 2010, Effects of age and loading rate on equine cortical bone failure, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 4, 1, 57-75
16. Launey M.E., Buehler M.J., Ritchie R.O., 2010, On the mechanistic origins of toughness in bone, Ann. Rev. Mater. Res., 40, 25-53
17. Lee S., Novitskaya E.E., Reynante B., Vasquez J., Urbaniak R., Takahashi T., Woolley E., Tombolato L., Chen Po-Yu, McKittrick J., 2011, Impact testing of structural biological materials, Mater. Sci. Eng. C, 31, 4, 730-739
18. Lucksanasombool P., Higgs W.A.J., Higgs R.J.E.D., Swain M.V., 2001, Fracture toughness of bovine bone: influence of orientation and storage media, Biomater., 22, 3127-3132
19. Melenk J. M., Babuska I., 1996, The partition of unity finite element method: basic theory and applications, Comput. Method Appl. Math., 39, 289-314
20. Morais J.J.L., de Moura M.F.S.F., Pereira F.A.M., Xavier J., Dourado N., Dias M.I.R., Azevedo J.M.T., 2010, The double cantilever beam test applied to mode I fracture characterization of cortical bone tissue, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 3, 6, 446-453
21. Nalla R.K., Kruzic J.J., Ritchie R.O., 2004, On the origin of the toughness of mineralized tissue: microcracking or crack bridging? Bone, 34, 790-798
22. Nalla R.K., Stolken J.S., Kinney J.H., Ritchie R.O., 2005, Fracture in human cortical bone: local fracture criteria and toughening mechanisms, J. Biomech., 38, 1517-1525
23. Norman T.L., Nivargikar S.V., Burr D.B., 1996, Resistance to crack growth in human cortical bone is greater in shear than in tension, J. Biomech., 29, 1023-1031
24. Norman T.L., Vashishth D., Burr D.B., 1995, Fracture toughness of human bone under tension, J. Biomech., 28, 309-320
25. Panagiotopoulos E., Kostopoulos V., Tsantzalis S., Fortis A.P., Doulalas A., 2005, Impact energy absorption by specimens from the upper end of the human femur, Injury, 36, 5, 613-617
26. Pattin C.A., Calet W.E., Carter D.R., 1996, Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone, J. Biomech., 29, 69-79
27. Reilly G.C., Currey J.D., 2000, The effect of damage and microcracking on the impact strength of bone, J. Biomech., 33, 337-343
28. Saha S., Hayes W.C., 1976, Tensile impact properties of human compact bone, J. Biomech., 9, 4, 243-244, IN5, 245-251
29. Ural A., Vashishth D., 2006, Cohesive finite element modelling of agerelated toughness loss in human cortical bone, J. Biomech., 39, 2974-2982
30. V. Image-Pro Express, V.m.c., 2005
31. Vashishth D., Tanner K.E., Bonfield W., 2000, Contribution, development and morphology of microcracking in cortical bone during crack propagation, J. Biomech., 33, 1169-1174
32. Wachter N.J., Krischak G.D., Mentzel M., Sarkar M.R., Ebinger T., Kinzl L., Claes L., Augat P., 2002, Correlation of bone mineral density with strength and microstructural parameters of cortical bone in vitro, Bone, 3, 90-95
33. Wang X., Puram S., 2004, The toughness of cortical bone and its relationship with age, Ann. Biomed. Eng., 32, 123-135
34. Yang Q.D., Cox B.N., Nalla R.K., Ritchie R.O., 2006, Re-evaluating the toughness of human cortical bone, Bone, 38, 878-887
35. Yeni Y.N., Norman T.L., 2000, Calculation of porosity and osteonal cement line effects on the effective fracture toughness of cortical bone in longitudinal crack growth, J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater., 51, 504-509
36. Zioupos P., 1998, Recent developments in the study of failure of solid biomaterials and bone: fracture and prefracture toughness, Mater. Sci. Eng. C, 6, 33-40
37. Zioupos P., Currey J.D., 1998, Changes in the stiffness, strength, and toughness of human cortical bone with age, Bone, 22, 57-66
38. Zioupos P., Currey J.D., Hamer A.J., 1999, The role of collagen in the declining mechanical properties of aging human cortical bone, J. Biomed. Mater. Res., 45, 108-6
39. Zioupos P., Hansen U., Currey J.D., 2008, Microcracking damage and the fracture process in relation to strain rate in human cortical bone tensile failure, J. Biomech., 41, 14, 2932-2939

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BWM6-0010-0001