Finite Element Analysis Of Large Deformation Of Articular Cartilage In Upper Ankle Joint Of Occupant In Military Vehicles During Explosion

• Autorzy: Klekiel T. , Będziński R.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0356

Warianty tytułu

PL

Analiza metodą elementów skończonych dużych odkształceń chrząstki stawowej w górnej części stawu skokowego pasażera w wojskowym pojeździe podczas wybuchu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the analysis of the load of lower limbs of occupants in the armoured military vehicle, which has been destroyed by detonation of the Improvised Explosive Device (IED) charge under the vehicle. A simplified model of the human lower limb focused on upper ankle joint was developed in order to determine the reaction forces in joints and load in particular segments during the blast load. The model of upper ankle joint, include a tibia and an ankle bone with corresponding articular cartilage, has been developed. An analysis of the stress distribution under the influence of forces applied at different angles to the biomechanical axis of a limb has been performed. We analyzed the case of the lower limb of a sitting man leaning his feet on the floor. It has been shown that during a foot pronation induced by a knee outward deviation, the axial load on the foot causes significantly greater tension in the tibia. At the same time it has been shown that within the medial malleolus, tensile stresses occur on the surface of the bone which may lead to fracture of the medial malleolus. It is a common case of injuries caused by loads on foot of passengers in armored vehicles during a mine or IED load under the vehicle. It was shown that the outward deviation of the knee increases the risk of the foot injury within the ankle joint.

PL

W artykule przedstawiono analizę MES obciążenia kończyn dolnych osób w opancerzonym pojeździe wojskowym, który został zniszczony przez zaimprowizowaną detonację ładunku wybuchowego (IED) pod pojazdem. W uproszczonym modelu dolnej kończyny ludzkiej skoncentrowano się na górnej części stawu skokowego. Model opracowany został w celu określenia siły reakcji w stawach i obciążenia w poszczególnych segmentach podczas obciążenia wybuchowego. Model górnego stawu skokowego, obejmuje kość piszczelową oraz kości stawu skokowego z odpowiadającymi chrząstkami stawowymi. Przeprowadzono analizę rozkładu naprężeń pod wpływem sił wywieranych pod różnymi kątami w stosunku do osi biomechanicznej kończyny. Przeanalizowano przypadek kończyny dolnej siedzącego mężczyzny z nogą opartą na podłodze. Wykazano, że podczas skręcenia stopy indukowanego przez odwiedzenie kolana na zewnątrz, siła osiowa na stopie powoduje znacznie większe naprężenie rozciągające w kości piszczelowej. Jednocześnie wykazano, że w kostce przyśrodkowej, naprężenia rozciągające występują na powierzchni kości, co może prowadzić do wystąpienia złamania kostki przyśrodkowej. Jest to częsty przypadek obrażeń spowodowanych obciążeniami stóp pasażerów pojazdów pancernych podczas eksplozji miny lub wybuchu ładunku (IED) pod pojazdem. Wykazano, że odchylenie kolana zwiększa ryzyko obrażeń stopy w stawie skokowym.

Słowa kluczowe

EN

large deformation; finite element modeling; lower limb injury; upper ankle joint; military vehicle; explosion

PL

odkształcenia duże; metoda elementów skończonych; model kończyny górnej; górny staw skokowy; pojazd wojskowy; wybuch

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 3
• Strony: 2115--2121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Klekiel T.

• University of Zielona Gora, Division of Biomedical Engineering, Department of Mechanical Engineering, Poland

autor

Będziński R.

• University of Zielona Gora, Division of Biomedical Engineering, Department of Mechanical Engineering, Poland

Bibliografia

• [1] D. Segala, P. Cavallaro, Computational Materials Science 81, 303-312 (2014).
• [2] R. Panowicz, K. Sybilski, D. Kołodziejczyk, T. Niezgoda, W. Barnat, Journal of KONES Powertrain and Transport 18, 4 (2011).
• [3] D. R. Possley, J. A. Blair, B. A. Freedman, A. J. Schoenfeld, R. A. Lehman, J. R. Hsu, The Spine Journal 12, 843-848 (2012).
• [4] V. T. Inman, The joints of the ankle, 2nd ed., Baltimore: Williams & Wilkins; pp. 31-74, 1991.
• [5] J. R. Close, J Bone Joint Surg Am 38, 761-81 (1956).
• [6] M. R. Colville, R. A. Marder, J. J. Boyle, B. Zarins, Am. J. Sports Med. 18, 196-200., P. Renstrom, M. Wertz, S. Incavo, M. Pope, H.C. Ostgaard, (1990).
• [7] I. A. Kapandij, The Physiology of the Joints, Vol II, Churchill Livingstone, (1987).
• [8] D. Kent. Butz, D. Deva. Chan, A. Eric. Nauman, P. Corey, Neu, Journal of Biomechanics 44, 15, 13, 2667-2672 October (2011).
• [9] D. L. France, Human and nonhuman bone identification: a color atlas. CRC Press, 2008.
• [10] J. T. M. Cheung, M. Zhang, Finite element modeling of the human foot and footwear. In: ABAQUS Users’ Conference. p. 145-58 (2006).
• [11] J. M. Garcia-Aznar, J. Bayod, A. Rosas, R. Larrainzar, R. Garcia-Bogalo, M. Doblare, et al., J Biomech Eng, 131:021011.R. (2009).
• [12] Y. T. Gu, Z. J. Yao, L. S. Jia, J. Qi, J. Wang, Int Orthop, 34, 1251-9 (2010).
• [13] M. J. Sormaala, M. H. Niva, M. J. Kiuru, V. M. Mattila, H. K. Pihlajamaki, Bone, 39:199-204(2006).
• [14] M. H. Niva, M. J. Sormaala, M. J. Kiuru, R. Haataja, J. A. Ahovuo, H.K. Pihlajamaki, Am J Sports Med, 35:643-9 (2007).
• [15] Y. C. Hsu, Y. W. Gung, S. L. Shih, C. K. Feng, S. H. Wei, C. H. Yu, et al. Ann Biomed Eng, 36:1345-52(2008).
• [16] Tian-Xia Qiu, Ee-Chon Teo, Ya-Bo Yana, Wei Lei, Medical Engineering & Physics 33, 1228-1233(2011).
• [17] J. R. Cho, S. B. Park, S. H. Kim, S. B. Lee, J Mech Sci Technol, 23:2583-91(2009).
• [18] J. E. Bischof, C. E. Spritzer, A. M. Caputo, M. E. Easley, J. K. De Orio, J. A. Nunley, L.E. De Frate, Journal of Biomechanics 43, 2561-2566(2010).
• [19] Can Xu, Ming-Yan Zhang, Guang-Hua Lei, Can Zhang, Shu-Guang Gao, Wen Ting, Kang-Hua Li, Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, September, 20, 9, 1854-1862 (2012).
• [20] F. Wei, J. E. Braman., B. T. Weaver, R. C. Hautemail, Journal of Biomechanics, 44, 15, 2636-2641, (2011).
• [21] P. Golano, J. Vega, P. A. de Leeuw, F. Malagelada, M. C. Manzanares, V. Gotzens V, C. N. van Dijk, Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 18(5), 557-569 (2010).
• [22] C. W. Imhauser, S. Siegler, J. K. Udupa, J. R. Toy, J Biomech 41(6), 1341-1349 (2008).
• [23] C. S. Mow, C. S. Proctor, M. A. Kelly, Biomechanics of articular cartilage. In: Nordin M, Frankle V (eds) Basic biomechanics of the musculoskeletal system. Lea and Febiger, Malvern PA, pp. 31-57 (1989).
• [24] S. D. Masouros, N. Newell, A. Ramasamy, T. J. Bonner, A. T. H. West, A. M. Hill, J. C. Clasper, A. M.J. Bull, Annals of Biomedical Engineering 41, 9, 1957-1967 (2013).
• [25] T. Pandelani, D. Reinecke, F. Beetge, Science real and relevant conference 2010, Ref: DS04-PA-F, (2010).
• [26] M. Suresh, F. Zhu, K. H. Yang, J. L. Serres, R. E. Tannous, Proceedings of the 10th World Congress on Computational Mechanics, Sao Paulo, Brazil, (2012).
• [27] N. Newell, S. D. Masouros, A. Ramasamy, Bonner T. J., Hill A. M., Clasper J. M., Bull A MJ, IRCOBI Conference (2012).
• [28] K. Polak, M. Czyż, K. Ścigała, W. Jarmundowicz, R. Będziński, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 34., 165-170 (2014).
• [29] M. Czyż, K. Ścigała, R. Będziński, W. Jarmundowicz, Acta of Bioengineering and Biomechanics 14, 4, 23-29 (2012).
• [30] R. Będziński, K. Scigała, STRAIN (1999).
• [31] R. Będziński, K. Ścigała, Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences 10, 353-368 (2003).
• [32] R. Będziński, Biomechanika, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, – (Mechanika Techniczna – Polska Akademia Nauk. Komitet Mechaniki; T. 12), red. R. Bedziński – s. 21-75. – ISBN: 978-83-89687-61-6 (2011).
• [33] J. Shanti, M.K. Patil, Journal of Rehabilitation Research & Development 36, 3, July (1999).
• [34] Suk-Hun Kim, Seung-Hwan Chang, Ho-Joong Jung, Composite Structures 92, 2109-2118 (2010).
• [35] J. T. Cheung, M. Zhang, A. K. Leung, Y .B. Fan, J Biomech, 38, 1045-54 (2005).

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.