Numerical modelling of impact fracture of cortical bone tissue using X-FEM

A cortical bone tissue is susceptible to fracture that can be caused by events, such as traumatic falls, sports injuries and traffic accidents. A proper treatment of bones and prevention of their fracture can be supported by in-depth understanding of deformation and fracture behaviour of this tissue in such dynamic events. Parameters such as damage initiation under impact, damage progression and impact strength can help to achieve this goal. In this paper, Extended Finite-Element Method (X- FEM) implemented into the commercial finite-element software Abaqus is used to simulate the actual crack initiation and growth in a cantilever beam of cortical bone exposed to quasi-static and impact loading using the Izod loading scheme. Izod tests were performed on notched bone specimens of bovine femur to measure its impact strength and to validate simulations. The simulation results show a good agreement with the experimental data.

Istota korowa kości jest tkanką podatną na złamanie wywołane m.in. takimi zdarzeniami jak upadki, kontuzje sportowe czy wypadki samochodowe. Odpowiednie leczenie czy profilaktyka stanu kości powinny być wsparte głębokim zrozumieniem zjawisk deformacji i pękania tej tkanki zachodzących podczas takich dynamicznych obciążeń. Znajomość parametrów opisujących inicjację uszkodzenia pod wpływem obciążenia uderzeniowego, progresja tego uszkodzenia i wreszcie odporność na złamanie może być pomocna w tej praktyce. W prezentowanej pracy przedyskutowano implementację rozszerzonej metody elementów skończonych (X-FEM) do standardowego i komercyjnego pakietu ABAQUS w celu symulacji faktycznych zjawisk towarzyszących inicjacji i propagacji pęknięcia belki wykonanej z materiału oddającego właściwości istoty korowej poddanej działaniu quasi-statycznych i uderzeniowych obciążeń, wspartej próbami udarnościowymi Izoda. Testy Izoda zostały przeprowadzone na przygotowanych próbkach z bydlęcej kości udowej z naciętym karbem w celu eksperymentalnej weryfikacji wytrzymałości na uderzenie. Rezultaty badań numerycznych wykazały dobrą zgodność z wynikami tych prób.