在猪半径中使用高效的非线性μFE模型进行螺丝拉出力预测,包括接触和损伤前的模型

科学领域:

• 生物力学 生物力学
• 生物材料工程 生物材料工程
• 计算力学 计算力学 计算力学

背景情况:

• 非线性微有限元 (μFE) 模型对于模拟骨螺丝系统至关重要.
• 详细的μFE模型的计算需求限制了它们的尺寸和应用.
• 准确预测螺丝拉出力需要考虑材料的非线性,接触和损坏前.

研究的目的:

• 评估计算效率高,物质非线性μFE模型与实验性螺丝拉出数据的一致性.
• 评估简化接触接口和预损伤对拉出力预测的影响.
• 确定最佳的损坏前参数,以提高模型准确性.

主要方法:

• 在十个猪半径活检中实验测量了螺丝拉出力.
• 创建基于voxel的样本特定的μFE模型,模拟实验条件.
• 三种μFE模型类型的比较:完全结合 (FB),简化接触没有预损坏 (TED-M) 和简化接触与预损坏 (TED-M + P).

主要成果:

• 所有μFE模型都与实验数据有很高的相关性 (R2>0.85).
• 在FB和TED-M模型中,高估了拉出力 (MAPE> 52%).
• 具有优化损坏前参数的TED-M + P模型显著改善了预测 (MAPE <17%),尽管最佳参数含糊不清且依赖于材料.

结论:

• 计算效率高,物质非线性μFE模型与实验性螺丝拉出力有很强的相关性.
• 简化的损坏前和接触模型对于实现定量准确的预测至关重要.
• 精确整合接触建模,损伤前表示和骨材料特性对于可靠的μFE模拟至关重要.