Numeričko i eksperimentalno modeliranje procesa deformiranja kortikalnoga koštanoga tkiva

doctoral thesis

• Title (english): Numerical and experimental modelling cortical bone tissue deformation processes
• Author: Martina Lovrenić-Jugović
• Mentor: Zdenko Tonković (mentor)
• Committee member: Jurica Sorić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Zdenko Tonković (član povjerenstva)
• Committee member: Janoš Kodvanj (član povjerenstva)
• Committee member: Tomislav Filetin (član povjerenstva)
• Committee member: Slavko Davila (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2012-05-07, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering; General Mechanical Engineering (Construction)
• Universal decimal classification (UDC): 53 - Physics ; 611 - Anatomy

Abstract

Osnovna mehanička svojstva koštanog tkiva su anizotropnost, heterogenost i viskoznost, a svakodnevnom aktivnošću u kosti nastaju mikrooštećenja koja u kontinuiranom procesu pregradnje iščezavaju. Pretpostavka je da do akumuliranja oštećenja u kosti dolazi zbog toga što s cikličkim opterećenjima stvaranje oštećenja postaje brže od pregradnje što može dovesti i do njenog loma. Zbog svoje vrlo složene strukture još nije predložen dovoljno točan konstitutivni model za opisivanje nelinearnog i vremenski ovisnog ponašanja kortikalnog koštanog tkiva. U okviru eksperimentalnih istraživanja u radu je najprije istražen proces deformiranja kompozitnog materijala koji ima slično mehaničko ponašanje kao ljudska kortikalna kost. To je omogućilo efikasnije i točnije definiranje konstitutivnog modela, koji je osim na analizirani kompozitni materijal primjenjiv i na goveđe i ljudsko kortikalno koštano tkivo. Razlog tome je što je kod eksperimentalnog istraživanja goveđeg kortikalnog koštanog tkiva bilo većih „rasipanja“ rezultata u odnosu na kompozitni materijal, što je otežalo procjenu parametara materijala. Osim za slučaj vlačnog puzanja, prikazano je ponašanje kosti za slučaj cikličkog tlačnog puzanja s naknadnim rasterećivanjem. Za isti način opterećivanja istraženo je ponašanje epruveta uzetih u poprečnom smjeru kosti, što u literaturi nije dovoljno istraženo. \Na taj način provedena eksperimentalna istraživanja omogućuju bolje razumijevanje nelinearnog i vremenski ovisnog ponašanja kortikalnog koštanog tkiva. \Na temelju eksperimentalnih podataka i primjenom formulacija sličnih onima za inženjerske materijale predložen je konstitutivni model za akumuliranje oštećenja u kortikalnom koštanom tkivu koji spreže mehanizme oštećenja s efektima viskoelastičnosti i viskoplastičnosti. Pritom su postojeći modeli viskoelastičnosti i oštećenja te model viskopastičnosti iz literature spregnuti zajedno što do sada nije napravljeno. Pokazano je da je predloženi konstitutivni model primjenljiv na različite slučajeve cikličkih opterećenja koji uključuju puzanje materijala s naknadnim rasterećivanjem. U okviru numeričkog modeliranja, izvedeni su jednodimenzijski i trodimenzijski numerički algoritmi za rješavanje konstitutivnih jednadžbi na razini materijalne točke te su implementirani u formulaciju konačnih elemenata. Iz prikazanih rezultata je vidljivo da predloženi numerički algoritam točno opisuje proces deformiranja kortikalnog koštanog tkiva za slučaj cikličkog puzanja s naknadnim rasterećivanjem u usporedbi s eksperimentalnim rezultatima. Dobiveni eksperimentalni rezultati zajedno s predloženim numeričkim algoritmom omogućit će realnu analizu koštanih prijeloma.

Abstract (english)

The bone tissue is heterogeneous material with anisotropic and viscous material properties. Micro damages to the bone occur during normal activities but they usually disappear during a continuous remodelling process. One of the most common assumptions is that bone damage is a result of cyclic loading. In that case, damage accumulation is faster than the remodelling process, which leads to bone fracture. A comprehensive constitutive model for cortical bone tissue is still not suggested due to a highly complex structure with nonlinear and time-dependent behaviour. This thesis can be divided into two parts: experimental part and numerical modelling. First, an experimental investigation into mechanical properties for a special kind of composite material was carried out. That particular material was chosen because of its mechanical behaviour which is very similar to human cortical bone. We believe that such an approach enables the creation of more efficient and accurate constitutive models to be applied to bovine and human cortical bone tissues. Significant scattering of results was noticed when bovine cortical bone was used, resulting in uncertainty in the determination of material parameters. This was not the case with experiments carried out using the composite material. Besides the common tensile creep test, the bone was tested for the cyclic compressive creep with subsequent unloading. In order to deepen the understanding of the nonlinear and the timedependent behaviour of cortical bone tissue, we investigated both axially and transversally taken specimens. The former way of taking specimens is very common while the latter could not be found in the available literature. Based on experimental data, a constitutive model for damage accumulation in cortical bone tissue is proposed. This approach, which includes viscoelasticity, damage, and viscoplasticity, could not be found in the available literature. It is shown that the constitutive model proposed in this thesis can be applied to various cases of cyclic loading involving the creep of materials with subsequent unloading. One-dimensional and three-dimensional numerical algorithms for solving constitutive equations at the material point level are implemented in the finite element formulation. Good correlation between our numerical computations and experimental results has been established. Thus, the proposed numerical algorithm accurately describes the process of cortical bone tissue deformation in the case of cyclic creep. Experimental results, together with the proposed numerical algorithm, will enable a realistic analysis of bone fracture.

• Keywords: kortikalno koštano tkivo; puzanje – rasterećenje; viskoelastičnost; oštećenje; viskoplastičnost; metoda konačnih elemenata
• Keywords (english): cortical bone tissue; creep – recovery; viscoelasticity; damage; viscoplasticity; finite element method
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:535477
• Study programme: Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-05-11 07:49:08