压缩载荷下不同应变判定皮质骨断裂准确性分析

目的 寻找适合压缩断裂工况下的应变判据。方法 基于连续损伤力学理论进行皮质骨在压缩载荷下的断裂模拟。分别将等效应变与主应变设置为有限元模型单元损伤与失效判据进行断裂模拟,通过对比两种预测结果与动物实验数据,探究应用两种应变判据进行断裂模拟的准确性。结果 应用等效应变判据模拟的断裂时间晚于应用主应变模拟;相比等效应变,应用主应变进行仿真所得结果与动物实验结果更为接近。结论 压缩载荷下,应用主应变判定皮质骨单元力学状态进行断裂模拟较为准确。通过对比分析找到准确模拟皮质骨在压缩载荷下断裂的数值方法,能够为临床中提高骨折预测精度提供理论基础。     

基于表观压缩实验与有限元分析相结合的骨微观力学性能参数预测方法的研究

骨表观力学性能参数常被用来评定骨质量,而微观力学性能参数由于难以测得尚未被广泛应用。为从微观水平评判骨质量,本研究提出一种骨微观力学性能参数的预测方法。该方法以大鼠股骨皮质骨为研究对象,预测其在微观水平的失效应变。首先依据扫描影像建立大鼠股骨皮质骨有限元模型,然后以表观压缩实验为研究依据,模仿实验条件,模拟皮质骨有限元模型在压缩载荷作用下的断裂过程,并通过与实验所测表观应力-应变曲线进行对比、反演,预测出大鼠股骨皮质骨在微观水平的失效应变。分析结果显示四只7月龄大鼠股骨皮质骨的微观失效应变数值处于4.53%~4.75%之间。经验证,本方法能够准确预测出骨结构在微观水平的力学性能参数。     

皮质骨中骨单元应力集中效应的有限元分析

目的建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,通过有限元分析验证骨单元的应力集中效应,并对应力集中位置进行疲劳仿真和预测。方法利用Pro/E wildfire 5.0和ANSYS 12.0软件建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,在不同轴向压缩载荷条件下计算分析皮质骨中局部应力和应变分布情况;选取关键位置进行疲劳仿真,预测不同疲劳载荷强度下骨组织的疲劳状态。结果轴向压缩载荷作用下,骨单元附近会出现明显的应力集中效应,随着压缩载荷的增加,模型内部病理性局部应变的比例逐渐增大;关键位置的疲劳仿真结果证明了骨组织生理强度运动时的低疲劳风险,也预测了高强度运动或训练时骨组织疲劳骨折的高风险。结论成功建立了包含骨单元的皮质骨三维实体模型,验证了骨单元的应力集中效应,预测了高强度运动训练条件下骨组织的疲劳损伤位置和风险,实验结果可为部队新兵或中长跑运动员运动训练计划的制定以及运动疲劳损伤的预防提供参考。     

不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率预测

背景:临界能量释放率是结构在破坏过程中可测得的一个全局断裂力学参数,即使针对同一结构,在不同失效模式下其数值也可能存在差异。目的:提出一种方法预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。方法:针对大鼠股骨皮质骨结构进行三点弯曲与轴向压缩实验以及相应断裂仿真。通过对有限元模型赋予不同临界能量释放率进行断裂模拟,并将每次模拟所得载荷-位移曲线与实验数据进行比较,当仿真与实验所得断裂参数差异小于5%时,即代表拟合成功,以此反演预测皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率。结果与结论:①结果显示大鼠股骨皮质骨结构在三点弯曲载荷下主要发生拉伸破坏,该失效模式下所预测临界能量释放率为0.16N/mm;②在轴向压缩载荷下主要发生剪切破坏,所预测临界能量释放率为0.12N/mm,这说明同一皮质骨结构在不同失效模式下的临界能量释放率存在差异;③此文通过对结构力学性能与损伤机制进行综合分析,揭示了不同失效模式下皮质骨结构临界能量释放率存在差异的原因,为能量释放率测量以及准确的皮质骨断裂模拟提供理论依据。     

脊椎段老龄化对椎骨皮质骨力学行为的影响分析EI北大核心CSCD

椎骨皮质骨的断裂风险会随着年龄的增加而增大,然而目前老龄化对皮质骨断裂影响的机制尚不明确。本文的研究目的是探明脊椎段老龄化对皮质骨应变的影响规律。文中建立了2种不同程度老龄化(中度老龄化和完全老龄化)的有限元脊椎段模型,这些老龄化的脊椎段模型是通过改变椎间盘的几何形状和脊椎各组成部分的材料属性生成的,然后将它们与作者之前研究中的一个健康脊椎段有限元模型进行了对比。为了研究哪一种情况对皮质骨的应变影响更大,本文分别建立了两种有限元模型比较方式:一种只改变脊椎材料属性,另一种只改变椎间盘的几何形状。研究结果表明,皮质骨的应变随着老龄化而增大;相比于椎间盘几何形状改变,脊椎材料属性的改变对皮质骨应变的影响更大。本研究结果或可说明,对于预防和治疗椎骨皮质骨断裂,增强脊椎强度是更有效的方式。     

不同载荷条件对后牙单种植体义齿下颌骨应力的影响

目的探讨垂直和斜向载荷作用于下颌后牙单种植体支持式义齿不同载荷点对下颌骨应力分布的影响。方法应用部分下颌骨CT扫描图像建立下颌骨的三维有限元模型,根据测量数据建立种植体的三维有限元模型,建立半解剖式种植义齿牙冠的三维有限元模型;在下颌第一恒磨牙种植体义齿各咬合点分别加垂直和斜向载荷,计算下颌骨所受的最大等效应力。结果在垂直和斜向载荷作用下,下颌骨的最大等效应力位于颈周骨皮质的上方;在相同的垂直斜向载荷下,不同咬合点加载时,下颌骨上所产生的最大等效应力有明显差异;同一载荷点在大小相同、方向不同的载荷作用下,下颌骨的最大等效应力有明显差异。结论在垂直和斜向载荷作用下,下颌骨的最大等效应力位于颈周骨皮质的上方,向根尖部递减;远中尖斜向加载时颈周骨皮质的上方的等效应力最大;载荷方式是影响颈周骨皮质应力分布的重要因素。     

三维有限元分析角度基台对种植体骨界面应力分布的影响

目的采用三维有限元的方法,分析各种角度基台对种植体骨界面应力、应变分布的影响,为临床使用提供理论参考。方法采用CT薄层扫描,建立含种植体的下颌骨三维有限元模型。模拟咀嚼肌加载,用ALGOR软件分析直基台和10°、20°、30°角基台修复时,种植体骨界面应力、应变分布的不同。结果发用数值和图的形式显示综合应力、最大和最小主应变。直基台修复时,综合应力集中于种植体颈部骨皮质,种植体底部次之。随基台角度的增加,种植体骨界面综合应力、最大和最小主应变值均从集中于种植体颈部转移至底部。结论随基台角度的增加,种植体骨界面应力、应变均增大;30°角基台修复时,其应力、应变增大显著。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布。方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期8个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。结果 步态周期支撑相下髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能55%～69%,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占百分比减小。髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。所获得髋臼各柱的生物力线分布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。结论 通过数值模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。     

骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯的三维模型仿真分析

文题释义： 骨小梁结构：骨组织包括皮质骨和松质骨，松质骨由一系列小梁骨组成。骨小梁在人体内分布广，呈疏松多孔的网状结构，骨的这种结构使得骨能够承受来自各个方向的载荷，并将载荷分散化，减少集中载荷对骨的不良影响。 有限元分析：有限元分析是一种数值分析方法，它的根本思想是离散化。即利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。 背景：髋关节置换是治疗股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病最有效的方法，因此有必要对髋关节置换的生物力学行为展开研究。 目的：采用有限元仿真的方法模拟髋关节置换后骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型的接触应力和米氏应力大小和分布情况，分析其对假体及髋关节的影响。 方法：通过3-Matic Research 11.0软件设计了2种不同结构的髋关节假体组件模型：骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型。并将设计好的模型经Hypermesh 14.0软件划分网格并赋予材料属性，最后导入有限元分析软件Abaqus 6.13软件中仿真分析，比较相同状态下2种髋臼杯的应力值和应力分布情况。 结果与结论：骨小梁结构髋臼杯的应力呈散点状分布，分布范围广。实体结构髋臼杯容易出现应力集中现象，应力分布集中在受力点附近。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言，应力分布范围更大，应力分布更均匀，从而可以减轻髋关节假体之间的磨损，降低髋关节假体发生无菌性松动的风险。 ORCID: 0000-0003-4612-6111(王晖) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

儿童肱骨三维有限元建模及验证

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。 目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。 方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据,导入到Mimics 10.01软件中,应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分,然后使用TrueGrid软件进行网格划分,最后对其进行材料属性赋值,完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束,模拟肱骨的三点弯曲试验,输出模拟结果。 结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3 024个节点,8节点六面体单元1 875个,实验分别加载0.01 m/s和3 m/s的动态载荷,肱骨中部均发生断裂,载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示,儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近,有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。     

The effect of strain rate on fracture toughness of human cortical bone: a finite element study

Evaluating the mechanical response of bone under high loading rates is crucial to understanding fractures in traumatic accidents or falls. In the current study, a computational approach based on cohesive finite element modeling was employed to evaluate the effect of strain rate on fracture toughness of human cortical bone. Two-dimensional compact tension specimen models were simulated to evaluate the change in initiation and propagation fracture toughness with increasing strain rate (range: 0.08–18 s⁻¹). In addition, the effect of porosity in combination with strain rate was assessed using three-dimensional models of micro-computed tomography-based compact tension specimens. The simulation results showed that bone’s resistance against the propagation of a crack decreased sharply with increase in strain rates up to 1 s⁻¹ and attained an almost constant value for strain rates larger than 1 s⁻¹. On the other hand, initiation fracture toughness exhibited a more gradual decrease throughout the strain rates. There was a significant positive correlation between the experimentally measured number of microcracks and the fracture toughness found in the simulations. Furthermore, the simulation results showed that the amount of porosity did not affect the way initiation fracture toughness decreased with increasing strain rates, whereas it exacerbated the same strain rate effect when propagation fracture toughness was considered. These results suggest that strain rates associated with falls lead to a dramatic reduction in bone’s resistance against crack propagation. The compromised fracture resistance of bone at loads exceeding normal activities indicates a sharp reduction and/or absence of toughening mechanisms in bone during high strain conditions associated with traumatic fracture.     

Numerical Modelling of Femur Fracture and Experimental Validation Using Bone Simulant

Bone fracture pattern prediction is still a challenge and an active field of research. The main goal of this article is to present a combined methodology (experimental and numerical) for femur fracture onset analysis. Experimental work includes the characterization of the mechanical properties and fracture testing on a bone simulant. The numerical work focuses on the development of a model whose material properties are provided by the characterization tests. The fracture location and the early stages of the crack propagation are modelled using the extended finite element method and the model is validated by fracture tests developed in the experimental work. It is shown that the accuracy of the numerical results strongly depends on a proper bone behaviour characterization.     

A quasi-brittle continuum damage finite element model of the human proximal femur based on element deletion

In this paper, a simple and practical finite element (FE) model coupled to a quasi-brittle damage law to describe the initiation and progressive propagation of multiple cracks based on element deletion is developed to predict the complete force–displacement curve and the fracture pattern of a human proximal femur under quasi-static load. The motivation of this work was to propose a FE model for possible clinical use with a good compromise between complexity and capability of the simulation. The model considers a limited number of parameters that can predict proximal femur fracture in more adequate physical terms than criteria-based fracture models. Based on experimental results, different damage laws for cortical and trabecular bone are proposed to describe inelastic damage accumulation under excessive load. When the damage parameter reaches its critical value inside an element of the mesh, its stiffness matrix is set to zero, leading to the redistribution of the stress state in the vicinity of the damaged zone (crack initiation). Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. To illustrate the potential of the proposed approach, the left femur of a male (age 61) previously investigated by Keyak and Falkinstein [37] (Model B: male, age 61) was simulated till complete fracture under one-legged stance quasi-static load. The proposed finite element model leads to more physical results concerning the shape of the force–displacement curve (yielding and fracturing) and the profile of the fractured edge.     

Fracture characterization of human cortical bone under mode II loading using the end-notched flexure test

Fracture characterization of human cortical bone under mode II loading was analyzed using a miniaturized version of the end-notched flexure test. A data reduction scheme based on crack equivalent concept was employed to overcome uncertainties on crack length monitoring during the test. The crack tip shear displacement was experimentally measured using digital image correlation technique to determine the cohesive law that mimics bone fracture behavior under mode II loading. The developed procedure was validated by finite element analysis using cohesive zone modeling considering a trapezoidal with bilinear softening relationship. Experimental load-displacement curves, resistance curves and crack tip shear displacement versus applied displacement were used to validate the numerical procedure. The excellent agreement observed between the numerical and experimental results reveals the appropriateness of the proposed test and procedure to characterize human cortical bone fracture under mode II loading. The proposed methodology can be viewed as a novel valuable tool to be used in parametric and methodical clinical studies regarding features (e.g., age, diseases, drugs) influencing bone shear fracture under mode II loading.     

不同力学激励对骨重建数值模拟的影响

目的研究采用应变能密度、等效应力、等效应变3种不同力学激励对骨重建数值模拟结果的影响。方法建立股骨近端的二维有限元模型,基于力学稳态理论的重建控制方程并结合有限元法,分别用3种不同力学激励模拟股骨近端的内部结构及密度分布,并与CT数据计算得到的骨密度值进行定量分析比较。结果 3种力学激励模拟得到的重建结果均能反映出股骨近端的主要特征结构,但采用等效应力作为激励时得到的股骨密度曲线图的趋势和数值都与CT图像数据更为一致。结论在骨重建力学调控机制中,应力可能起主导作用。准确预测和模拟骨重建过程将对矫形外科、骨伤治疗、人工假体的优化和个体化设计等临床实践提供理论依据。     

人密质骨的撞击实验研究

本文用分离式Hopkinson杆（SHBM）（应变率为7001/s)对人的密度骨进行撞击实验研究,得出了应力-时间、应变-时间、应变率-时间及应力-应变等曲线。用一维波传播理论分析实验数据。结果表明即使在高应变率下,人的密质骨也具有非线性粘弹性材料的特性,据此可得人密质骨的冲击特性可用三参数粘弹性力学模型描述,同时得出了高应变率下,人的密质骨也具有非线性粘弹性材料的特性。据此可得人密质骨的冲击特性可用三参数粘弹性力学模型描述,同时得出院高应变率下人密度骨的极限应力和残余应变值。     

腰椎疲劳骨折的有限元分析

目的：了解腰椎疲劳骨折后各结构力学变化。方法：建立腰椎三维有限元模型模拟腰椎疲劳骨折的载荷状态。结果：骨折后各结构位移增加,椎间盘膨出半径增大,皮质骨,松质骨,裂纹两端应力增加。结论：腰椎疲劳骨折后各结构应力增加,小梁裂纹表现出明显的裂纹扩展趋势,增大的椎间盘膨出半径是引起下腰痛的主要原因。     

3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能

文题释义：3D打印：3D打印技术开创了增材制造的生产方式,即依照3D设计蓝图可将金属粉末等原材料逐层堆积而制成最终产品,擅长构建形状结构复杂的产品与个体化定制,制作特异性假体或植入物,供植入以达到重建等目的,在骨科领域得到了广泛应用。 钛合金骨小梁：是以钛合金粉末为原材料,采用金属3D打印技术通过金属微粒逐层熔融叠加生成的一种类人体骨小梁三维空间网孔结构,其力学性能和生物学性能和人体的松质骨骨小梁极为相似,作为人工植入假体的表面结构,具有非常出色的骨长入效果。 背景：3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展,与涂层假体相比,钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点。为了保证骨科植入物的安全,目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度。 目的：通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能。 方法：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验：设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,骨小梁结构的丝径为0.28-0.35 mm、孔径为0.71 mm、孔隙率为73%。检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度,分析其失效机制,同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响。②数值模拟实验：利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型,模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程。 结果与结论：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11 kN之间,等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间,拉伸破坏的结果为网状结构断裂,说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度;②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示,骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂,不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂;③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,造成该差异的原因主要为：3D打印骨小梁试件的丝径(280-350 μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142 μm),而孔径(孔隙率75%)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96%)。 ORCID: 0000-0001-7000-2093(张兰) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

The double cantilever beam test applied to mode I fracture characterization of cortical bone tissue

The primary objective of this work was to analyse the adequacy of the Double Cantilever Beam (DCB) test in determining fracture toughness under pure mode I loading of cortical bone tissue. A new data reduction scheme based on specimen compliance and the crack equivalent concept was used to overcome the difficulties inherent in crack monitoring during its growth. It provides a complete resistance curve, which is fundamental in estimating the fracture energy. A cohesive zone model was used to simulate damage initiation and propagation, thus assessing the efficacy of the proposed testing method and data reduction scheme. Subsequently, the DCB test was applied to evaluate the mode I fracture energy of hydrated and thermally dehydrated cortical bone tissue from young bovine femur, in the tangential–longitudinal propagation system. The results obtained demonstrate the efficacy of the DCB test and the proposed data reduction scheme on the bone fracture characterization under mode I loading.