Title
Uticaj koncentracije napona i pojave prsline na preostali radni vek biomaterijala za rekonstruktivne pločice
Creator
Vučetić, Filip, 1990-, 23261031
Copyright date
2020
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 11.02.2021.
Other responsibilities
mentor
Sedmak, Aleksandar, 1955-, 12447079
član komisije
Radaković, Zoran, 1961-, 14087271
član komisije
Grbović, Aleksandar, 1970-, 12800359
član komisije
Čolić, Katarina, 1977-, 31933543
član komisije
Milošević, Miloš, 1984-, 14060135
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Mašinski fakultet
Alternative title
Influence of stress concentracion and crack initiation on remaining life of biomaterials for reconstructive plates
Publisher
[F. Vučetić]
Format
90 str.
description
mašinstvo - tehnologija materijala – mašinski materijali / mechanical engineering
- materials technology – engineering materials
Abstract (sr)
Biomaterijali namenjeni za izradu ortopedskih rekonstruktivnih pločica su boljih
mehaničkih karakteristika u odnosu na kosti, a ipak u velikom broju slučajeva dolazi do otkaza
pločica usled zamornog oštećenja. Jasno je da otkazi pločica za fiksaciju preloma dovode do problema
u procesu lečenja i potrebe za ponovnom operacijom pacijenata. Pored materijala i geometrije,
iskustvo i znanje ortopedskog hirurga su jedan od najbitnijih faktora koji doprinose učestalosti
zamornih otkaza pločica. U slučaju neadekvatne ugradnje pločice će biti podvrgnute preopterećenju
od samog početka eksploatacije, što pogoduje inicijaciji prsline.
Jedan od najčešće korišćenih biokompatibilnih materijala za unutrašnju fiksaciju preloma kostiju je
dvofazna alfa-beta legura titana Ti-6Al-4V. Cilj istraživanja doktorske disertacije je da se utvrdi
ponašanje rekonstruktivnih biomedicinskih pločica u prisustvu prslina na mestima koncentracije
napona i da se utvrdi brzina rasta prslina za različite geometrije, na osnovu čega im je moguće
proceniti integritet i preostali radni vek. U tu svrhu, eksperimentalno su određene zatezne
karakteristike i parametri mehanike loma legure Ti-6Al-4V u cilju korišćenja podataka u numeričkim
simulacijama, dok su udarne karakteristike ispitane na instrumentiranom klatnu u cilju boljeg
razumevanja ponašanja samog materijala. Umesto komplikovanih eksperimentalnih ispitivanja,
primenjeni su postupci numeričkih simulacija ponašanja ortopedskih pločica od Ti-6Al-4V legure
titana u prisustvu zamornih prslina, opterećenih na savijanje u četiri tačke, prvenstveno zbog
nemogućnosti primene mernih folija na geometrijama pločica. Takođe, numeričke simulacije
predstavljaju bržu i jeftiniju alternativu eksperimentalnim ispitivanjima. Geometrija i modeli pločica
rađeni su u programu CATIA, a simulacija rasta prsline proširenom metodom konačnih elemenata
(PMKE) u programu ANSYS. U simulacijama je korišćeno opterećenje (moment savijanja) koje se
javlja na čovekovoj potkolenici tokom hoda, a uzete su u obzir i različite telesne mase pacijenta: 60,
90 i 120 kg. Analiza je rađena za 5 različitih geometrija pločica. Analiza je rađena isključivo sa
mehaničkog aspekta, dok uticaj korozivne sredine čovekovog organizma i biokompatibilnost
materijala nisu uzeti u razmatranje.
Postoji više metoda za tretiranje materijala u cilju poboljšanja njegovih određenih karakteristika.
Jedan od načina za poboljšanje površinskih karakteristika materijala je lasersko ojačavanje materijala
(LSP). Razlog za primenu laserskog ojačavanja na leguri titana je istraživanje mogućnosti lokalnog
poboljšanja mehaničkih karakteristika i mikrogeometrijskih karakteristika površine, kao i unošenja
pritisnih zaostalih napona koji bi doprineli otpornosti na iniciranje prslina, naročito na mestima
koncentracije napona. Ispitivanja su rađena na tri grupe uzoraka i pod tri različita tretmana
pikosekundnim laserom Nd:YAG. Analiza je rađena sa aspekta mikrostrukture, površinske hrapavosti
i mikrotvrdoće.
Abstract (en)
Biomaterials intended for orthopaedic plates manufacturing are of much higher mechanical
properties relative to the bone itself and still there are many cases where those plates fracture in
service with fatigue as the main failure mode. This causes the problem with healing process and
requires that the patients undergo another surgery. Apart from materials and geometry, experience
and knowledge of the orthopaedic surgeon is one of the important factors contributing to the
frequency of fatigue failures. If incorrectly implanted, plates will be subjected to overloading from
the start, which is convenient for crack initiation.
One of the most commonly used biocompatible materials for internal bone fixation is two phase
alpha-beta titanium alloy Ti-6Al-4V. Focus of this doctoral dissertation is to determine the behaviour
of reconstructive biomedical plates in the presence of cracks at the stress concentration locations and
to obtain crack growth rates for different plate geometries which are to be used as a basis for structural
integrity and life assessment. Experimental investigations of tensile and fracture mechanics
parameters of Ti-6Al-4V alloy were conducted to be used in numerical simulations, while impact
characteristics, tested on instrumented Charpy pendulum, were investigated for the purpose of better
understanding of the material. Instead of complicated experimental four point bend testing of
orthopaedic plates in the presence of cracks, numerical simulations were employed, mainly due to
inability of measurement foils to be used on given plate geometries. Also, numerical simulations are
time and cost efficient when compared to experimental testing. Geometries and models of plates are
defined in CATIA software, while extended finite element method (XFEM) crack growth simulations
were made in ANSYS. Loads (bending moments) correspond to the ones occurring in human tibia
during gait cycle for different body weights: 60, 90 and 120 kg. Analysis was conducted on 5 different
plate geometries. Analysis was done only from the mechanical aspect and the influence of corrosive
environment of the human body was not taken into consideration.
There are many methods for treatment of materials for the purpose of improving its certain
characteristics. One of the methods for surface characteristics improvement is laser shock peening.
Reason for utilising the laser shock peening on titanium alloy is to research the possibilities of local
improvement of mechanical and micro-geometrical properties, as well as inducing the compressive
residual stresses which should contribute to the crack initiation resistance, especially at the stress
concentration locations. Testing was conducted on three types of samples under three different
treatments with picosecond laser Nd:YAG. Analysis was made from the aspect of microstructure,
surface roughness and microhardness.
Authors Key words
ortopedske rekonstruktivne pločice, biomaterijali, Ti-6Al-4V, proširena metoda
konačnih elemenata (PMKE), numeričke simulacije, eksperimentalna analiza mehaničkih
karakteristika, parametri mehanike loma, lasersko ojačavanje materijala (LSP), mikrostruktura,
mikrotvrdoća
Authors Key words
orthopaedic reconstructive plates, extended finite element method (XFEM), biomaterials,
Ti-6Al-4V, numerical simulations, experimental analysis of mechanical properties, fracture
mechanics parameters, laser shock peening (LSP), microstructure, microhardness
Classification
66.017:615.461:539.42(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Biomaterijali namenjeni za izradu ortopedskih rekonstruktivnih pločica su boljih
mehaničkih karakteristika u odnosu na kosti, a ipak u velikom broju slučajeva dolazi do otkaza
pločica usled zamornog oštećenja. Jasno je da otkazi pločica za fiksaciju preloma dovode do problema
u procesu lečenja i potrebe za ponovnom operacijom pacijenata. Pored materijala i geometrije,
iskustvo i znanje ortopedskog hirurga su jedan od najbitnijih faktora koji doprinose učestalosti
zamornih otkaza pločica. U slučaju neadekvatne ugradnje pločice će biti podvrgnute preopterećenju
od samog početka eksploatacije, što pogoduje inicijaciji prsline.
Jedan od najčešće korišćenih biokompatibilnih materijala za unutrašnju fiksaciju preloma kostiju je
dvofazna alfa-beta legura titana Ti-6Al-4V. Cilj istraživanja doktorske disertacije je da se utvrdi
ponašanje rekonstruktivnih biomedicinskih pločica u prisustvu prslina na mestima koncentracije
napona i da se utvrdi brzina rasta prslina za različite geometrije, na osnovu čega im je moguće
proceniti integritet i preostali radni vek. U tu svrhu, eksperimentalno su određene zatezne
karakteristike i parametri mehanike loma legure Ti-6Al-4V u cilju korišćenja podataka u numeričkim
simulacijama, dok su udarne karakteristike ispitane na instrumentiranom klatnu u cilju boljeg
razumevanja ponašanja samog materijala. Umesto komplikovanih eksperimentalnih ispitivanja,
primenjeni su postupci numeričkih simulacija ponašanja ortopedskih pločica od Ti-6Al-4V legure
titana u prisustvu zamornih prslina, opterećenih na savijanje u četiri tačke, prvenstveno zbog
nemogućnosti primene mernih folija na geometrijama pločica. Takođe, numeričke simulacije
predstavljaju bržu i jeftiniju alternativu eksperimentalnim ispitivanjima. Geometrija i modeli pločica
rađeni su u programu CATIA, a simulacija rasta prsline proširenom metodom konačnih elemenata
(PMKE) u programu ANSYS. U simulacijama je korišćeno opterećenje (moment savijanja) koje se
javlja na čovekovoj potkolenici tokom hoda, a uzete su u obzir i različite telesne mase pacijenta: 60,
90 i 120 kg. Analiza je rađena za 5 različitih geometrija pločica. Analiza je rađena isključivo sa
mehaničkog aspekta, dok uticaj korozivne sredine čovekovog organizma i biokompatibilnost
materijala nisu uzeti u razmatranje.
Postoji više metoda za tretiranje materijala u cilju poboljšanja njegovih određenih karakteristika.
Jedan od načina za poboljšanje površinskih karakteristika materijala je lasersko ojačavanje materijala
(LSP). Razlog za primenu laserskog ojačavanja na leguri titana je istraživanje mogućnosti lokalnog
poboljšanja mehaničkih karakteristika i mikrogeometrijskih karakteristika površine, kao i unošenja
pritisnih zaostalih napona koji bi doprineli otpornosti na iniciranje prslina, naročito na mestima
koncentracije napona. Ispitivanja su rađena na tri grupe uzoraka i pod tri različita tretmana
pikosekundnim laserom Nd:YAG. Analiza je rađena sa aspekta mikrostrukture, površinske hrapavosti
i mikrotvrdoće.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.