基于PD的皮质骨孔隙率对裂纹扩展的影响研究

目的骨的微观结构是决定骨强度与骨折风险的重要影响因素。孔隙率是表征皮质骨微观结构的重要参量。皮层内部的骨重建作用主要发生在哈弗式系统表面,其直径可由年轻时50μm增长至年老时80μm,从而导致皮质骨孔隙率的增大。皮质骨在承受日常载荷时,会产生一些微小裂纹。微裂纹的扩展会受到骨微观结构的影响,然而孔隙率的增大对裂纹扩展的影响仍未有明确的解答。方法近场动力学(PD)基于非局部作用思想,通过积分模型描述物质点的力学行为,避免了传统连续介质力学方法中的非连续奇异性问题,成为处理骨材料破坏问题最有效的途径之一。因此,本文采用二维键基常规态近场动力学模型,模拟了两种有预制微裂纹皮质骨平板模型(每个模型假设有3个哈弗式管,管直径分别为50μm与80μm)的破坏过程,在渐进加载过程中观察裂纹扩展路径,以及观察增大的孔洞直径对扩展模式的影响。结果两种模型均是板中心水平方向以及右侧两个哈弗式管水平轴线两端首先出现损伤,形成多条水平裂纹。随着载荷的增加,水平裂纹分叉,并沿着各自方向扩展。直至裂纹贯通,材料完全破坏。孔洞直径增大后,更早产生裂纹分叉,破坏时刻也显著提前。结论基于近场动力学的皮质骨裂纹分析,不需要预设裂纹轨迹,可以模拟裂纹自由扩展的过程。孔洞直径增大后,裂纹分叉、贯通与破坏时刻提前,破坏形态发生显著改变。