Modelo de una osteona de hueso cortical mediante elementos finitos incorporando elementos cohesivos

Abstract

[EN] In this Máster Thesis an osteon extracted from an electronic microscope image of a sheep tibia cortical bone is modelled using the finite element method. The model is composed by all the compact bone parts, such as the osteon by stacking lamellas, the cement line and the interstitial matrix.

The aim of the work is to describe the techniques in order to develop osteons in a more realistic way from the geometrical material properties point of view. In order to do this, the work is based in a specifically mesh generation technique and assembly process which generates a structured finite element model which allows the simulations.

In addition, cohesive elements have been included in the model and the procedure to define these elements in order to carry out debonding processes between two surfaces initially closed is described. The behavior of the debonding process has been done using traction separation laws commonly used in composite materials.

Once the models are developed with and without the cohesive zone model, an analysis has been carried out under a specific load case in order to compare the results and define the advantages and disadvantages of the use of cohesive zone models.

[ES] En la presente tesis de máster se modela mediante elementos finitos una osteona extraída de la imagen por microscopia electrónica y técnica de tinción del hueso cortical de una tibia de una oveja. El modelo consta de todas las partes que compone la estructura de hueso cortical, osteonas a partir de lamelas apiladas, línea cementante y matriz intersticial.

El trabajo describe la técnica para simular osteonas realistas desde el punto de vista geométrico y desde el punto de vista de propiedades de material. Para ello se ha basado en técnicas de generación de malla y procesos de ensamblado para obtener una estructura de elementos finitos adecuada para llevar a cabo las simulaciones.

Además, se han incluido elementos cohesivos y la definición de éstos para poder llevar a cabo simulaciones de procesos de delaminación entre superficies pegadas. El comportamiento del proceso de separación se ha realizado mediante leyes de tracción separación comúnmente usados en materiales compuestos.

Una vez generados los modelos con y sin elementos cohesivos se ha realizado un análisis bajo un caso de carga específico con el fin de comparar resultados y definir las ventajas y desventajas de la simulación con elementos cohesivos.

[CA] En la present tesi de màster es modelitza mitjançant elements finits una osteoma extreta de la imatge per microscòpia electrònica de l’os cortical de la tíbia d’una ovella. El model consta de totes les parts que composen l’estructura de l’os cortical, osteones a partir de lamel•les apilades, línia cementant i matrius intersticials.

El treball descriu la tècnica per a simular osteones realistes des del punt de vista geomètric i des del punt de vista de propietats de material. Per a tal efecte, s’ha utilitzat tècniques de generació de malla i processos d’assemblat per a obtindre una estructura d’elements finits adequada per a les simulacions.

A més a més, s’han inclòs elements cohesius i la seua pròpia definició, per tal de desenvolupar simulacions dels processos de delaminació entre superfícies pegades. El comportament del procés de separació s’ha realitzat mitjançant lleis de tracció separació, utilitzades habitualment en materials compostos.

Una vegada han estat generats els models amb i sense elements cohesius, s’ha realitzat un anàlisis sota un cas de càrrega específic amb la finalitat de comparar resultats i definir els avantatges i desavantatges de la simulació amb elements cohesius.