Analyse par éléments finis du comportement mécanique, de la perméabilité et du stress de cisaillement par fluide induit sur les parois des supports à haute porosité avec des architectures gyroides et basées sur des structures en treillis

Davar Ali, Sadri Sen

Résumé

La conception des supports nécessite de prendre en compte les propriétés mécaniques et la dynamique des écoulements de fluides comme facteurs principaux dans le développement de ces matériaux. Le comportement mécanique des supports osseux se caractérise par des propriétés telles que le module d’élasticité et la résistance à la compression. En ce qui concerne la dynamique des écoulements de fluides, la perméabilité au sein des supports osseux est un paramètre important qui affecte les activités biologiques des cellules, et le stress de cisaillement induit par l’écoulement est utilisé comme un stimulateur mécanique de la croissance cellulaire. Dans cette étude, deux architectures de supports avec des cellules unitaires rectangulaires gyroides et basées sur des structures en treillis ont été conçues pour analyser les modules d’élasticité effectifs, la résistance à la compression, la perméabilité et le stress de cisaillement des parois induit par l’écoulement de fluide en fonction de la porosité. Six niveaux de porosité (65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 % et 90 %) ont été assignés aux architectures des supports, et 12 modèles ont été développés. La déformation des supports sous charge statique, la résistance à la compression selon les critères de von Mises, la chute de pression et le stress de cisaillement des parois induit par l’écoulement de fluide dans les supports ont ensuite été déterminés par analyse par éléments finis. Dans les deux types de supports, les modèles avec une porosité plus élevée ont montré des propriétés mécaniques plus faibles. Sous la même porosité, les supports basés sur des structures en treillis ont présenté un module de Young et une résistance à la compression plus élevés que ceux obtenus par les supports gyroides. En se basant sur les paramètres géométriques et la chute de pression dérivée de l’analyse de la dynamique des fluides numérique (CFD), la perméabilité des supports a été calculée en utilisant la loi de Darcy. Dans les deux architectures de supports, la haute porosité a augmenté la perméabilité et diminué le stress de cisaillement des parois. Sous la même porosité, les modèles basés sur des structures en treillis ont montré une perméabilité plus élevée et un stress de cisaillement des parois plus faible que les modèles gyroides. Sur la base des résultats concernant le module d’élasticité et la perméabilité, les modèles qui imitent le plus efficacement les propriétés des os spongieux ont été identifiés.

Lien de l’article : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1751616117303211