Naslov Numeričko i eksperimentalno modeliranje procesa deformiranja kortikalnoga koštanoga tkiva
Naslov (engleski) Numerical and experimental modelling cortical bone tissue deformation processes
Autor Martina Lovrenić-Jugović
Mentor Zdenko Tonković (mentor)
Član povjerenstva Jurica Sorić (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Zdenko Tonković (član povjerenstva)
Član povjerenstva Janoš Kodvanj (član povjerenstva)
Član povjerenstva Tomislav Filetin (član povjerenstva)
Član povjerenstva Slavko Davila (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb
Datum i država obrane 2012-05-07, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana TEHNIČKE ZNANOSTI Strojarstvo Opće strojarstvo (konstrukcije)
Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC ) 53 - Fizika 611 - Anatomija
Sažetak 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.
Sažetak (engleski) 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.
Ključne riječi
kortikalno koštano tkivo
puzanje – rasterećenje
viskoelastičnost
oštećenje
viskoplastičnost
metoda konačnih elemenata
Ključne riječi (engleski)
cortical bone tissue
creep – recovery
viscoelasticity
damage
viscoplasticity
finite element method
Jezik hrvatski
URN:NBN urn:nbn:hr:235:535477
Studijski program Naziv: Strojarstvo i brodogradnja Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: poslijediplomski doktorski Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (dr.sc.)
Vrsta resursa Tekst
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2020-05-11 07:49:08