[논문 리뷰] 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 Dios외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 01.

Automotive and Human Injury Biomechanics참고 문헌 37인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 인체 갈비 cortical 뼈의 인장 재료 특성을 준정적 및 동적 하중 조건에서 측정하기 위해 새로운 클램프 기술을 개발한다. 이는 파손 거동에 영향을 미치는 높은 속도 민감도와 미세구조적 영향을 드러내며, 자동차 안전 설계에 사용되는 흉부의 유한요소 모델을 향상시키기 위한 중요한 실험적 검증 자료를 제공한다.

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

연구 동기 및 목표

• 유한요소 모델에서 인간 갈비 cortical 뼈의 정확한 인장 재료 특성이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 준정적 및 동적 인장 하중 조건에서 갈비 cortical 뼈의 속도 민감도를 조사하기 위해.
• 인장 파손 중 뼈의 미세구조가 고장 특성에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 작고 복잡한 갈비 cortical 뼈 시편을 위한 신뢰할 수 있는 클램프 기술을 개발하기 위해.

제안 방법

• 작고 비정형인 갈비 cortical 뼈 시편을 인장 시험 중에 안정적으로 고정하기 위해 새로운 클램프 기술을 설계하였다.
• 속도 의존성 기계적 거동을 평가하기 위해 준정적 및 동적 하중 속도에서 인장 시험을 실시하였다.
• 고속 데이터 캡처 기능을 갖춘 일괄 시험기로 시편을 시험하여 변형률 속도 영향을 측정하였다.
• 파손 표면에 대한 미세구조 분석을 수행하여 고장 모드와 뼈 구조 간의 상관관계를 규명하였다.
• 실험 데이터를 기반으로 유한요소 모델을 개선하여 갈비 파손 예측 정확도를 높였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준정적 및 동적 하중 조건에서 인간 갈비 cortical 뼈의 인장 특성은 변형률 속도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 미세구조가 인장 파손 중 고장 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 새로운 클램프 기술이 갈비 cortical 뼈에 대한 인장 시험의 신뢰성과 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 압축에 비해 갈비 cortical 뼈는 인장에서 얼마나 높은 속도 민감도를 보이는가?

주요 결과

• 갈비 cortical 뼈는 동적 하중 속도에서 뚜렷한 속도 민감도를 보이며, 동적 하중 조건에서 항복강도 및 최대강도가 높았다.
• 새로운 클램프 기술은 작고 해부학적으로 복잡한 갈비 cortical 뼈 시편에 대한 신뢰할 수 있는 인장 시험을 성공적으로 수행할 수 있도록 했다.
• 하버시안 관통관의 정렬과 콜라겐 섬유의 배향과 같은 미세구조적 특성이 균열 전파 경로와 파손 toughness에 영향을 주었다.
• 동적 하중 조건에서의 파손 표면은 준정적 조건보다 더 취약한 거동를 보이는 명백한 패atters를 보였다.
• 실험 데이터는 cortical 뼈의 밀도와 인장 강도 사이에 명확한 상관관계를 보였으며, 이는 고장 예측에 미세구조를 활용하는 데 유리하다고 지지한다.
• 결과는 충돌 시뮬레이션에서 흉부 유한요소 모델의 정확도를 향상시키는 데 필수적인 검증된 재료 특성을 제공한다.