基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析

摘要：

文题释义：

断裂韧性Kc：是线弹性断裂力学中评估材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学指标，可用能量释放率G、应力强度因子K等描述裂纹尖端力学状态的单一参量表示。

扩展有限元：传统有限元在模拟裂纹扩展时要求 格符合几何不连续性，需要在裂纹尖端区域进行 格加密，并且必须随着裂缝的发展而不断重新划分 格。因此，裂纹扩展模拟成为传统有限元经典难题之一。扩展有限元在传统有限元的基础上加入了局部增强函数，通过特殊的增强函数及额外的自由度来保证不连续性的存在，使得模拟裂纹的萌生和扩展更加方便。

背景：与基于面骨密度的临床工具相比，特定载荷条件下的有限元模型强度分析越来越多用于改善对骨折风险的评估。然而，大多数有限元模型仅限于估计骨强度和可能发生骨折的位置，不能对骨折过程本身进行建模。

目的：在ABAQUS软件中使用扩展有限元法对股骨颈骨折裂纹进行模拟，采用基于最大主应力和能量的准则来确定裂纹的起裂位置和裂纹扩展路径。

方法：收集1名健康志愿者股骨近端CT数据，以DICOM格式导入Mimics重建三维模型，赋予皮质骨、松质骨相应材料参数。最初进行静态分析，以评估骨应力分布并确定骨折危险区域。基于应力结果和排除边界附近的单元，定义了允许在扩展有限元法分析中发生断裂的富集区，当主应力超过116 MPa时单元发生裂纹萌生，预测裂纹位置与演变过程。

结果与结论：①静力学分析：在站立位载荷下，股骨颈出现应力集中，最大等效应力为711.8 MPa，根据第四强度理论，股骨皮质骨屈服强度为116 MPa，当前载荷下股骨颈将发生不可逆的塑性破坏。此外，最大主应力集中于股骨颈外侧，最大值超过116 MPa。②裂纹扩展分析：裂纹的产生是一个蓄积能量的过程，随着应力不断增大并超过阈值时，股骨颈外上方开始出现单元损伤，此时为黏性裂纹状态，仍有抗断能力。随着应力继续增大，该单元完全失效，此时裂纹面周围及尖端应力值迅速降低，应力集中向单元两侧分布。裂纹先后向股骨颈前上、后下方向延伸，最终形成股骨颈骨折。③基于断裂力学建立的股骨近端骨折模型，既能很好地预测弹性行为，又能很好地预测站立载荷下的断裂裂纹路径及评估力学性能和临界主应力的影响，同时强调了充分校准断裂标准的重要性。该方法较强度理论建模方法提供了更多关于骨折裂纹扩展机制的信息，有助于对骨折潜在风险的深入探究。

https://orcid.org/0000-0001-8692-4893 (郑永泽)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 股骨颈骨折, ABAQUS, 扩展有限元, 断裂力学, 裂纹扩展, 断裂韧性, 强度理论, 生物力学