[論文レビュー] Tensile material properties of human rib cortical bone under quasi-static and dynamic failure loading and inuence of the bone microstucture on failure characteristics

Damien Subit, Eduardo del Pozo de Dios+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Automotive and Human Injury Biomechanics参考文献 37被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、準静的および動的荷重条件下における人体の肋骨皮質骨の引張り材料特性を測定するための新規クランプ技術を開発した。この研究により、破壊挙動に及ぼす速度感受性および微細構造の影響が顕著に明らかになった。得られた知見は、自動車の安全設計に用いられる胸部の有限要素モデルを改善する上で、重要な実験的裏付けデータを提供する。

ABSTRACT

Finite element models of the thorax are being developed to assist engineers and vehicle safety researchers with the design and validation of countermeasures such as advanced restrain systems. Computational models have become more rened with increasing geometrical complexity as element size decreases. These nite element models can now capture small geometrical features with an attempt to predict fracture. However, the bone material properties currently available, and in particular the rate sensitivity, have been mainly determined from compression tests or tests on long bones. There is a need for a new set of material properties for the human rib cortical bone. With this objective, a new clamping technique was developed

研究の動機と目的

• 有限要素モデルにおける人体の肋骨皮質骨の正確な引張り材料特性の欠如に対処すること。
• 準静的および動的引張り荷重下における肋骨皮質骨の速度感受性を調査すること。
• 引張破壊時の破壊特性に及ぼす骨の微細構造の影響を検討すること。
• 小型で複雑な肋骨皮質骨試料の引張試験に適した信頼性の高いクランプ技術の開発

提案手法

• 小型で不規則な形状の肋骨皮質骨試料を引張試験中にしっかりと保持できる新規クランプ技術を考案した。
• 速度依存性の機械的挙動を評価するために、準静的および動的荷重速度の両方で引張試験を実施した。
• 高精度な高速データ取得を備えた万能試験機を用いて、試料を試験した。
• 破壊表面の微細構造解析を実施し、破壊モードと骨の構造の関連を明らかにした。
• 実験データを基に有限要素モデルを構築し、肋骨破壊の予測精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準静的および動的荷重下において、人体の肋骨皮質骨の引張り特性は、ひずみ速度にどのように依存するか？
• RQ2 引張破壊時の破壊特性に骨の微細構造がどのように影響を与えるか？
• RQ3 新規クランプ技術は、肋骨皮質骨の引張試験の信頼性および正確性をどのように向上させるか？
• RQ4 圧縮と比較して、肋骨皮質骨は引張りにおいてどの程度の速度感受性を示すか？

主な発見

• 動的荷重速度下では、引張り降伏強度および破壊強度が高くなるという、肋骨皮質骨の顕著な速度感受性が確認された。
• 新規クランプ技術により、小型で解剖学的に複雑な肋骨皮質骨試料の信頼性の高い引張試験が可能になった。
• ハービアン管の配列やコラーゲン繊維の配向といった微細構造的特徴が、き裂の伝播経路および破壊靭性に影響を与えた。
• 動的荷重下では、破壊表面に明確なパターンが観察され、準静的条件と比較してより脆い挙動を示した。
• 実験データから、皮質骨の密度と引張り強度の明確な相関関係が明らかになった。これは、破壊予測に微細構造を組み込む有効性を裏付けた。
• 本研究の結果は、衝突シミュレーションにおける胸部有限要素モデルの精度を向上させるために不可欠な実験的裏付け材料特性を提供した。