مطالعه شبیه‌سازی و مدلسازی المان محدود سوراخکاری استخوان

نوع مقاله : --

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، اسفراین

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه نیشابور، نیشابور

چکیده

شکستگی استخوان غالبا بر اثر سوانح و کهولت سن بوجود می­آید و بی حرکت سازی استخوان شکسته شده با ایجاد سوراخ توسط مته و اتصال قطعاتی که به آنها پیچ می ­شوند انجام می­گیرد. تلاش ­های متعددی برای یافتن راه حلی جهت کاستن نکروزهای حرارتی و نیروهای سوراخکاری صورت گرفته است. در این میان شبیه­ سازی کامپیوتری سوراخ ­کاری جهت پیش بینی نکروزهای حرارتی و نیروها با توجه به ورود کامپیوترهای پر سرعت جایگاه ویژه­ای یافته است. در این پژوهش سوراخ­کاری استخوان توسط نرم افزار المان محدود تجاری DEFORM/3D شبیه­ سازی شده است. این نرم ­افزار دارای ماژول مخصوص شبیه ­سازی ماشینکاری می­باشد، لذا کار با این نرم افزار آسان ­تر و پاسخ آن سریعتر می­باشد. با توجه به ناهمسانگرد بودن استخوان از معیار هیل برای تعریف ماده استفاده گردید. سرعت دورانی و پیشروی به عنوان دو ورودی در سه سطح، مجموعا 9=32 آزمایش طراحی و شبیه­سازی آن به صورت سه بعدی اجرا شد و با مقادیر حاصل از آزمایش­های تجربی مقایسه گردید. نتایج حاصل از شبیه­سازی کامپیوتری و آزمایش ­های تجربی همخوانی بالایی را نشان داده است. میزان خطای بین مقادیر اندازه­گیری شده تجربی و شبیه ­سازی، حداکثر 10 درصد برای نیروی لازم جهت نفوذ مته و 7 درصد برای دما بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Shakouri, E., Sadeghi, M. H., Karafi, M., Farzin, M.,
"Effect of Rotatory-Vibrational Bone Drilling in
Lowering Thermal Necrosis (An Animal Study)", IJOS.
Vol. 12, No. 2, pp. 52-58, (2014). (in Persian .(فارسی
[2] Shakouri, E., Sadeghi, M. H., Maerefat, M., Karafi,
M., Memarpour, M., "Experimental and Analytical
Investigation of Thrust Force In Ultrasonic Assisted
Drilling of Bone", Modares Mechanical Engineering,
Vol. 14, No. 6, pp. 194-200, (2014). (in Persian .(فارسی
[3] Kyu-Hong Jo, Kyh-Ho Yoon, Kwan-Soo Park, Jung-
Ho Bae, Kyung-Ha You, Ji-Hoon Han, Jae-Myung Shin,
Jee-Seon Baik, In-Seong Jeon, Jeong-Kwon Cheong,
“Thermally induced bone necrosis during implant
surgery: 3 case reports”, J Korean Assoc Oral Maxillofac
Surg, Vol. 37, pp. 406-14, (2011).
[4] Natali, C., Ingle, P., Dowell, J., “Orthopedic bone
drills be can they be improved” J Bone Joint Surge Br.,
Vol. 78-B, pp. 357-362, (1996).
[5] Sarparast, M., Ghoreishi, M., Jahangirpoor, T. et al.
"Experimental and finite element investigation of highspeed
bone drilling: evaluation of force and
temperature", J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng, Vol. 42, pp.
349, (2020).
[6] Carmouche, J. J., Molinari, R.W., Gerlinger, T.,
Devine, Patience, J. T., "Effects of pilot hole preparation
technique on pedicle screw fixation in different regions
of the osteoporotic thoracic and lumbar spine", J.
Neurosurg. Spine, Vol. 3 (5), pp. 364–370, (2005).
[7] Fernandes, MG., Fonseca, EM., Jorge, RN.,
"Thermo-mechanical stresses distribution on bone
drilling: Numerical and experimental procedures.
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,
Part L", Journal of Materials: Design and Applications,
Vol. 233(4), pp. 637-646, (2019), Doi:
10.1177/1464420716689337.
[8] Yuan-Kun, Tu., Hsun-Heng, Tsai., Li-Chiang, Lin.,
at all, “Finite Element Simulation of Drill Bit and Bone
Thermal Contact during drilling”, IEEE Confernce,
1268- 1272, (2008).
[9] Waqas, A., Lughmani, Kaddour Bouazza-Marouf, Ian
Ashcroft., “Drilling in cortical bone: a finite element
model and experimental investigations” Journal of the
mechanical behavior of biomedical materials, Vol. 42,
pp. 32–42, (2015).
[10] Alam, K., Mitrofanov, A.V., Silberschmidt, V.V.,
“Finite element analysis of forces of plane cutting of
cortical bone”, Computational Materials Science, Vol.
46, pp. 738–743, (2009).
[11] Sui, J., Sugita, N., Ishii K., Harda, K., Mitsuishi, M.,
"Mechanistic modeling of bone-drilling process with
experimental validation", Journal of Materials
Processing Technology, (2013).
[12] Yu, Wang., Meng, Cao., Xiangrui, Zhao.,
"Experimental investigations and finite element
simulation of cutting heat in vibrational and conventional
drilling of cortical bone”, Medical Engineering &
Physics, Vol. 36, No. 11, pp. 1408-1415, (2014).
[13] Alam, K., Khan, M., Vadim, V., “3D Finite element
modeling of drilling cortical bone: temperature analysis”,
Journal of Medical and Biological Engineering, Vol.
34(6), pp. 618-623.
[14] Bergen, T., Shetty, SH., Arora, M., Dhond, A.,
Vaughan, N., Volosnikov A. Optimal parameters to
avoid thermal necrosis during bone drilling: A finite
element analysis", J Orthop Res, Vol. 35(11), pp. 2386-
2391, (Nov; 2017), Doi: 10.1002/jor.23542. Epub 2017
Mar 2. PMID: 28181707.
[15] Shakouri, E., Sadeghi, M. H., Soleimanimehr, H.,
"Effect of Drill Speed in Thermal Necrosis of Bone (An
Animal Study)". IJOS, Vol. 11(1), pp. 32-39, (2013), (in
Persian .(فارسی
[16] Alam, K., "Experimental and numerical analysis of
conventional and ultrasonically-assisted cutting of
cortical bone", PhD thesis, Loughborough University,
UK, (2009).
[17] Simin, Li., Adel Abdel-Wahab, Emrah Demirci,
Vadim V. Silberschmidt, "Penetration of cutting tool into
cortical bone: Experimental and numerical investigation
of anisotropic mechanical behaviour", Journal of
Biomechanics, Vol. 47, pp. 1117–1126, (2014).
01