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Disertación de Maestría
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-02072021-150350
Documento
Autor
Nombre completo
Marcos André Margalho de Barros
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2020
Director
Tribunal
Júnior, Luís Antônio Guimarães Bitencourt (Presidente)
Casas, Estevam Barbosa de Las
Lima, Raúl González
Título en portugués
Modelagem do processo de fissuração em osso cortical através da técnica de fragmentação de malha de elementos finitos.
Palabras clave en portugués
Mecânica do dano
Método dos Elementos Finitos
Microestrutura
Osso cortical
Técnica de fragmentação de malha
Resumen en portugués
Neste trabalho, o processo de iniciação e propagação de fissuras na microestrutura do osso cortical é simulado usando o método dos elementos finitos aliado com a técnica de fragmentação de malhas. Desta forma, pares de elementos finitos triangulares com alta razão de aspecto (elementos cuja altura é muito menor que o comprimento da base) são inseridos para preencher os vazios deixados após o processo de separação dos elementos finitos triangulares convencionais e caracterizar as possíveis trajetórias de propagação de fissuras. A microestrutura do osso cortical é modelada como um material compósito de 4 fases: matriz intersticial, linha de cimento, ósteons e canal de Havers. A não linearidade material é representada pelo comportamento dos elementos com alta razão de aspecto através de um modelo constitutivo de dano conjugado, com propriedades mecânicas adequadas para representação de cada fase do compósito. A metodologia é empregada na análise numérica de 6 modelos com representações conceituais da microarquitetura do osso cortical e 1 modelo com microestrutura definida a partir de uma imagem fotográfica. Comportamento à tração e flexão são avaliados considerando a presença de um e múltiplos ósteons. Os resultados obtidos demonstraram que a técnica de fragmentação de malha é adequada para representar o processo de fissuração do osso cortical, com resultados compatíveis com os descritos na literatura, incluindo a influência das propriedades mecânicas da linha de cimento no processo de fissuração.
Título en inglés
Modeling of the cracking process in cortical bone via the mesh fragmentation technique.
Palabras clave en inglés
Cortical bone
Damage mechanics
Finite Element Method
Mesh fragmentation technique
Microstructure
Resumen en inglés
In this work, the crack initiation and propagation process in the microstructure of the cortical bone is simulated using the finite element method combined with a mesh fragmentation technique. Thus, triangular finite elements with high aspect ratio (elements with the base much greater than the height) are inserted in pairs between the interfaces of regular triangular elements, after the fragmentation process to describe the possible crack path trajectories. The microstructure of the cortical bone is modeled as a 4-phased composite material: interstitial matrix, cement line, osteon and Haversian canal. The material non-linearity is represented by the behavior of the high aspect ratio elements via a combined damage model with adequate mechanical properties assigned to each phase of the material. The methodology is employed in the numerical simulations of 6 conceptual representations of the microarchitecture of the cortical bone and 1 model based on the geometry extracted from a digital picture. The mechanical behavior is assessed in tension and bending tests while considering geometries with one or multiple osteons. The results demonstrated that the proposed technique based on the mesh fragmentation process is suitable to represent the crack initiation and propagation process in the cortical bone, with results in good agreement with those available in the literature, including the mechanical influence of the cement line in the cracking process.
 
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Fecha de Publicación
2021-07-02
 
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