پیش‌‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته

پیشرفت‌های صورت گرفته در روش المان محدود توسعه‌یافته امکان پیش‌بینی مسیر شکست را بدون دانش قبلی در مورد آن فراهم آورده است. در همین راستا، هدف این پژوهش پیش‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان‌محدود بر مبنای وکسل است. در این پژوهش با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته به همراه مکانیزم آسیب غیر ایزوتروپیک، به بررسی چگونگی شکست استخوان ران برای 3 نمونه‌ی انسانی پرداخته می‌شود. مکانیزم آسیب غیرایزوتروپیک متشکل از 4 معیار شکست به صورت ترکیبی از معیار‌های هاشین و تنش بیشینه اصلی است. این مکانیزم آسیب با هدف در نظر گرفتن خواص ناهمگن و غیرایزوتروپیک استخوان توسعه داده‌شده است. مدل‌هایی از سه استخوان ران با استفاده از روش برش‌نگاری کمی ساخته‌شده و تحت بارگذاری مشخصی قرار گرفته‌اند. نیروی فشاری مورد نظر با زوایای 15 درجه نسبت به صفحات کرونال و سجیتال به سر استخوان ران وارد شده است. مسیرهای شکست متفاوتی برای استخوان شبیه‌سازی شدند. برای بررسی میزان دقت و توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک یک مقایسه یک‌به‌یک میان نتایج مدل‌سازی عددی و نتایج تست‌های مکانیکی انجام‌گرفته است. تناظر قابل قبولی در مورد ناحیه‌ی شروع ترک و مسیر رشد ترک، میان مدل‌سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی دیده شد که بیانگر توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک است.

the prediction of femoral fracture location using extended finite element method

the advances in the extended finite element method enable the prediction of crack initiation and propagation without prior knowledge about the crack pattern. in this regard, the purpose of this study was to investigate human femoral fracture location using voxel based finite element simulation. the simulation was developed in terms of an anisotropic failure mechanism coupled to the extended finite element method to describe the femoral progressive fracture pattern in specimen specific models. an anisotropic failure mechanism (4 damage criteria) was developed based on the combination of hashin failure criteria and maximum principal stress criterion to capture femur fracture behavior dependency on femur anisotropy and heterogeneity. three specimen specific femur fe models were constructed based on ct scan images under a particular loading condition. the load was applied to the head of the femur at an angle of 15 degrees relative to the sagittal and coronal planes. to demonstrate the potential of the current approach, a one to one comparison of predicted extended finite element method fracture pattern and experimental results were performed. an acceptable agreement was obtained between the predicted and observed fracture patterns suggesting that the proposed failure mechanism in the extended finite element method is capable to simulate femoral fracture type and progressive crack propagation. the presented results indicated that the crack on set location and subsequent crack trajectories can be correctly captured using the proposed anisotropic failure mechanism in the extended finite element method.