Damage analysis of human cortical bone under compressive and tensile loadings

材料科学 皮质骨 微观力学 骨单位 压缩(物理) 极限抗拉强度 复合材料 张力(地质) 刚度 抗压强度 韧性 断裂(地质) 解剖 复合数 医学
作者
Ebrahim Maghami,Jason P. Moore,Timothy O. Josephson,Ahmad R. Najafi
出处
期刊:Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering [Informa]
卷期号:25 (3): 342-357 被引量:19
标识
DOI:10.1080/10255842.2021.2023135
摘要

Developing advanced fracture tools can increase the understanding of crack growth trajectories in human cortical bone. The present study investigates fracture micromechanics of human cortical bone under compressive and tensile loadings utilizing a phase field method. We construct two-dimensional finite element models from cortical microstructure of a human tibia cross section. We apply compression on the cortical bone models to create compressive microcracks. Then, we simulate the fracture of these models under tension to discover influential parameters on microcracks formation and post-yielding behavior. The results show that cement lines are susceptible sites to damage nucleation under compression rather than tension. The findings of this study also indicate a higher accumulation of initial damage (induced by compression) can lead to a lower microscopic stiffness as well as a less resistant material to damage initiation under tension. The simulations further indicate that the post-yielding properties (e.g., toughness) can be dependent on different variables such as morphological information of the osteons, the initial accumulation of microcracks, and the total length of cement lines.

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