Elektro-mechanicka vazba v porezni strukture kosti - aplikace metody homogenizace

Jana TURJANICOVÁ

Master's thesis

Electro-mechanical coupling in porous bone structure - homogenization method application

Abstract:

Diplomová práce se zabývá elektro-mechanickou vazbou v porézní struktuře kosti. Tkáň kortikální kosti je modelována jako medium s dvojí porozitou skládající se z pevné matrice a tekutinou prosycených kanálů. V první části této práce se zabýváme čistě mechanickým chováním modelu poroelasticity. Pro stanovení homogenizovaných koeficientů popisujících mesoskopickou úroveň aplikujeme homogenizační metodu unfoldingu na staticky zatíženou mikroskopickou úroveň. Opětovným aplikováním stejné homogenizační metody na mezoskopickou úroveň popsanou efektivními koeficienty z předešlého kroku je možno získat koeficienty popisující vlastnosti homogenizovaného materiálu na makroskopické úrovni. Dále je provedena parametrická studie závislosti efektivních koeficientů na změně geometrie popisující mikroscopickou strukturu kortikální kosti. Ve druhé části je diskutován vliv elektro-mechanické vazby v porézní struktuře s jedním stupněm porozity. Je zaveden mikroskopický model popisující elektro-osmotické jevy v porézním materiálu. Aplikací metody tzv. unfoldingu na tento model lze získat efektivní koeficienty odpovídající homogenizovanému materiálu na makroskopické úrovni. Je provedena parametrická studie vlivu změn v porozitě na hodnoty efektivních koeficientů. V závěru práce je řešena testovací makroskopická úloha.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the electro-mechanical coupling in the porous structure of the bone. The cortical bone tissue is modeled as a double-porous medium decomposed into the solid matrix and the fluid saturated canals. In the first part, the study of purely mechanical behavior is performed on the poroelastic model. The method of unfolding homogenization is applied to upscale the microscopic model of the fluid-solid interaction under a static loading. Obtained homogenized coefficients describe material properties of the poroelastic matrix containing fluid-filled pores whose geometry is described at the mesoscopic level. The second-level upscaling provides homogenized poroelastic coefficients relevant to the macroscopic scale. Furthermore, we study the dependence of these coefficients on geometrical parameters which relate to the microscopic and macroscopic scales. In the second part of this thesis, the electro-mechanical coupling in a porous structure with only one level of porosity is discussed, resulting into the model of electro-osmosis in the porous structure. On this model, the unfolding method is applied and the parameter study of dependency of effective coefficients on porosity change is performed. The macroscopic problem is solved on a test body.

Keywords

Electro-osmóza, porézní medium, poroelasticita, homogenizace, metoda unfoldingu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2013

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 25. 6. 2013
• Supervisor: Prof. Dr. Ing. Eduard Rohan

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Mechanics