7. Vericación y validación 89
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC
7.8.2. Resultados
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC 111
112 Capítulo 7. Vericación y validación Hexaedros 8 nodos [MPa] Hexaedros 20 nodos [MPa]
Comp./Paso 3 4 5 6 3 4 5 6
C11 56,291 48,590 40,191 34,058 23,791 17,632 12,557 7,964 C12 10,944 8,630 6,392 4,757 2,629 2,047 0,970 0,964 C13 17,763 14,497 10,582 7,955 5,084 3,643 1,955 1,601 C14 1,130 1,210 0,795 0,583 0,412 0,039 0,021 -0,023 C15 3,368 2,665 1,648 1,176 1,177 0,773 0,290 0,190 C16 6,989 6,304 5,303 4,030 4,417 3,236 2,294 1,982 C22 27,696 24,130 20,246 17,692 4,670 3,301 1,506 1,011 C23 16,058 13,318 10,332 7,742 2,683 1,743 0,836 0,647 C24 -0,170 0,122 0,115 0,204 -0,412 -0,348 -0,247 -0,156 C25 8,453 7,343 5,926 4,742 1,873 1,331 0,676 0,458 C26 0,410 0,515 0,388 0,291 0,227 0,205 -0,007 0,023 C33 77,721 67,330 53,048 41,487 24,871 18,606 10,155 7,825 C34 2,739 2,576 2,078 1,619 0,717 0,350 -0,038 -0,043 C35 19,243 16,099 11,991 8,440 4,648 3,492 1,597 1,331 C36 5,846 5,390 4,671 4,142 3,057 2,061 1,175 0,995 C44 11,529 9,758 8,004 6,570 3,120 2,032 1,074 0,634 C45 1,843 1,705 1,295 1,098 0,379 0,199 -0,041 0,031 C46 6,423 5,376 4,065 3,097 2,489 1,690 0,928 0,514 C55 18,070 15,789 12,976 10,720 3,658 2,744 1,436 1,029 C56 2,959 2,610 1,985 1,673 1,105 0,814 0,304 0,297 C66 25,135 21,561 17,494 13,843 9,777 6,773 4,385 2,783
IG 5,25 7,48 10,56 15,12 5,25 7,48 10,56 15,12
Tabla 7.10: Evolución de las componentes del tensor de elasticidad con el tamaño de paso considerando elementos de 8 y 20 nodos. Método de homogenización directo, Muestra 1.
de tendencia, éstas últimas fueron gracadas también.
Las deformaciones a nivel microestructural o del tejido,ε1ij, fueron analizadas en el modelo de la Muestra 1 construido con un paso igual a 3 y considerando elementos de primer orden. Se analizó la distribución de deformaciones del caso de carga cuya componente de deformación aparente no nula es ε011, Figura7.12.
A excepción del casoε111, todas las distribuciones de deformaciones presentan un único pico en cero. Esto es consistente con las deformaciones aparentes impuestas como condición de contorno. Enε111se observó la existencia de dos picos uno ubicado en cero (-1,41 10−7) y otro en 3,06 10−3 ligeramente mayor al valor medio 3,010−3 que fuese usado como deformación aparente impuesta. La existencia del doble pico fue investigada analizando la distribución de deformaciones en cada una de las fases, Figura7.13. Se determinó que el mayor de los picos, prácticamente coincidente con el valor de deformación aparente impuesta, se encuentra en la fase hueco mientras que
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC 113
Figura 7.11: Evolución de las componentes del tensor de elasticidad aparente Cij0 en función del tamaño de paso, Muestra 1 : Modelos construidos con exaedros de 8 nodos (izq.), modelos construidos con hexaedros de 20 nodos (der.).
el cercano al cero se debe principalmente a las deformaciones en el tejido trabecular.
Esta última observación resulta interesante ya que implica que la mayor parte del tejido no se deforma uniformemente. En este sentido, debe notarse que muchos de los elementos del la fase tejido o hueso presentan deformaciones menores que el valor medio y una cantidad signicativa de ellos posee deformaciones negativas. La distribución de la fase hueco, en cambio, está prácticamente centrada en 3,010−3.
El estándar de facto para el análisis de convergencia de modelos de elementos
114 Capítulo 7. Vericación y validación
Figura 7.12: Distribución de deformaciones en los elementos (de primer orden) de la Muestra 1, caso de carga ε011: (a)ε111, (b)ε122, (c)ε133, (d)ε112, (e)ε123 y (f)ε131.
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC 115
Figura 7.13: Distribución de deformaciones en los elementos (de primer orden) de la Muestra 1, componente ε111: (a) fase hueco, (b) fase hueso.
nitos está basado en el estudio de la evolución de la solución, en este caso los valores de las componentes del tensor de elasticidad aparente, con el número de nodos, el de elementos o el tamaño de los últimos. A los efectos prácticos, resulta conveniente utilizar el tamaño de los elementos ya que permite una comparación dimensional directa con parámetros morfológicos del hueso, por ejemplo, el espesor trabecular.
Puesto que los modelos de la Muestra 1 fueron construidos usando pasos de 3, 4, 5, y 6 píxeles de 19,5µm, y los de la Muestra 2 usando pasos de 9, 11, 15 y 18 píxeles de 6,62 µm, los tamaños de (las aristas de) los elementos empleados fueron 59, 78, 98 y 117µm en los modelos de la primer muestra y 60, 73, 99 y 119µm en los de la segunda.
En las Tablas 7.11y7.12 se reportan las componentes del tensor de elasticidad aparente Cij0 de las Muestras 1 y 2 computadas mediante ambos métodos de ho- mogenización. Se presentan los resultados hallados empleando elementos de primer orden y distinto tamaño de elemento. La simetría del tensor de elasticidad se vericó comparando los valores hallados para cada una de las componentes simétricas encon- trándose diferencias a partir de la sexta cifra signicativa en los resultados obtenidos mediante el método de homogenización directo y, en la cuarta cifra signicativa en los del método asintótico.
Las Figuras 7.14 y 7.15 y las Tablas 7.11 y 7.12 presentan la evolución de las componentes del tensor de elasticidad aparente Cij0 en las Muestras 1 y 2 respecti- vamente usando los dos métodos de homogenización. Los valores de las componentes se muestran en función del paso, donde además se gracan las líneas de tendencia de cada componente.
Las ordenadas al origen de las líneas de tendencia de las Figs. 7.11,7.14y 7.15 constituyen una estimación del valor de las componentes del tensor de elasticidad aparente para un elemento de tamaño nulo. Así, se estimaron los tensores de elas- ticidad aparente de ambas muestras utilizando los dos métodos de homogenización.
116 Capítulo 7. Vericación y validación
Figura 7.14: Evolución de las componentes del tensor de elasticidad aparente en función del tamaño del elemento, Muestra 1 : (a) tres primeras componentes de la diagonal principal; (b) últimas tres componentes de la diagonal principal; (c) compo- nentes fuera de la diagonal principal. Los marcadores llenos muestran los resultados hallados con el método de homogenización directo mientras que los marcadores de perl cerrado representan los resultados hallados mediante el método de homogeni- zación asintótico.
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC 117
Figura 7.15: Evolución de las componentes del tensor de elasticidad aparente en función del tamaño del elemento, Muestra 2 : (a) tres primeras componentes de la diagonal principal; (b) últimas tres componentes de la diagonal principal; (c) compo- nentes fuera de la diagonal principal. Los marcadores llenos muestran los resultados hallados con el método de homogenización directo mientras que los marcadores de perl cerrado representan los resultados hallados mediante el método de homogeni- zación asintótico.
118 Capítulo 7. Vericación y validación Método Directo [MPa] Método Asintótico [MPa]
Componente 59µm 78µm 98µm 117 µm 59µm 78µm 98µm 117µm C11 56,291 48,590 40,191 34,058 23,791 17,632 12,557 7,964 C12 10,944 8,630 6,392 4,757 2,629 2,047 0,970 0,964 C13 17,763 14,497 10,582 7,955 5,084 3,643 1,955 1,601 C14 1,130 1,210 0,795 0,583 0,412 0,039 0,021 -0,023 C15 3,368 2,665 1,648 1,176 1,177 0,773 0,290 0,190 C16 6,989 6,304 5,303 4,030 4,417 3,236 2,294 1,982 C22 27,696 24,130 20,246 17,692 4,670 3,301 1,506 1,011 C23 16,058 13,318 10,332 7,742 2,683 1,743 0,836 0,647 C24 -0,170 0,122 0,115 0,204 -0,412 -0,348 -0,247 -0,156 C25 8,453 7,343 5,926 4,742 1,873 1,331 0,676 0,458 C26 0,410 0,515 0,388 0,291 0,227 0,205 -0,007 0,023 C33 77,721 67,330 53,048 41,487 24,871 18,606 10,155 7,825 C34 2,739 2,576 2,078 1,619 0,717 0,350 -0,038 -0,043 C35 19,243 16,099 11,991 8,440 4,648 3,492 1,597 1,331 C36 5,846 5,390 4,671 4,142 3,057 2,061 1,175 0,995 C44 11,529 9,758 8,004 6,570 3,120 2,032 1,074 0,634 C45 1,843 1,705 1,295 1,098 0,379 0,199 -0,041 0,031 C46 6,423 5,376 4,065 3,097 2,489 1,690 0,928 0,514 C55 18,070 15,789 12,976 10,720 3,658 2,744 1,436 1,029 C56 2,959 2,610 1,985 1,673 1,105 0,814 0,304 0,297 C66 25,135 21,561 17,494 13,843 9,777 6,773 4,385 2,783 Tabla 7.11: Componentes del tensor Cij0 computadas con ambos métodos de homo- genización para distintos tamaños de elemento, Muestra 1.
Para la Muestra 1, usando el método de homogenización directo, se obtuvieron
Cij0
Directo =
78,58 17,04 27,70 1,85 5,63 10,10 37,69 24,43 −0,43 12,26 0,62
114,84 3,99 30,37 7,64 16,45 2,68 9,82 25,58 4,32 36,58
[M P a],y (7.2)
Cij0
Directo =
70,81 15,66 25,20 1,64 4,58 8,83 34,45 22,58 −0,33 10,57 0,64 102,44 3,81 26,33 6,81 13,78 2,26 8,57 22,37 3,40 31,47
[M P a], (7.3)
7.8. Modelos 3D reconstruidos a partir de imágenes de microTC 119 Método Directo [MPa] Método Asintótico [MPa]
Componente 60 µm 73µm 99µm 119 µm 73 µm 99µm 119 µm C11 346,203 347,790 347,908 351,753 291,933 289,222 292,858 C12 115,743 115,354 114,218 113,658 96,651 95,583 95,606 C13 120,812 120,695 119,087 119,187 98,007 96,192 96,631 C14 35,595 34,850 33,554 32,934 32,207 31,147 30,722 C15 -1,290 -1,673 -2,065 -2,231 -0,900 -1,148 -1,110 C16 -5,840 -5,468 -4,831 -3,881 -3,993 -3,201 -2,065 C22 328,472 328,957 332,132 335,762 277,421 278,988 280,715 C23 117,058 116,867 116,433 116,050 97,497 97,365 96,280 C24 28,857 28,261 27,544 27,278 25,458 24,662 24,559 C25 -2,154 -3,710 -5393 -5,935 -4,008 -5,960 -5,352 C26 -0,600 -0,638 -0,446 -0,138 -0,162 0,158 0,594 C33 356,287 357,382 359,221 361,973 299,029 299,230 298,395
C34 9,144 8,828 8,308 7,849 6,743 6,266 6,057
C35 -2,719 -4,123 -6,270 -6,276 -3,544 -5,357 -4,794 C36 -8,320 -7,795 -6,986 -6,632 -5,944 -5,101 -4,097 C44 116,163 116,231 116,100 116,540 99,059 98,236 98,009 C45 -2,674 -2,607 -2,562 -2,239 -2,192 -1,954 -1,606 C46 -2,465 -2,774 -3,228 -3,227 -2,056 -2,503 -2,277 C55 114,354 114,656 115,050 115,867 97,346 96,996 96,555 C56 13,058 12,855 12,614 12,391 12,446 12,326 11,853 C66 119,097 119,347 118,967 119,733 100,029 98,966 99,237 Tabla 7.12: Componentes del tensor Cij0 computadas con ambos métodos de homo- genización para distintos tamaños de elemento, Muestra 2.
empleando elementos lineales y cuadráticos respectivamente. Con el método de ho- mogenización asintótico se obtuvo
Cij0
Asint =
39,14 4,80 8,53 0,71 2,16 6,70 8,37 4,63 −0,68 3,29 0,48 42,18 1,45 8,10 5,01 5,50 0,72 4,41 6,35 1,95 16,44
[M P a]. (7.4)
Usando únicamente elementos lineales, para la Muestra 2 se obtuvo
120 Capítulo 7. Vericación y validación
Cij0
Directo =
341,65 117,92 122,79 38,18 −0,46 −7,79 320,47 118,08 30,28 1,17 −1,15 350,65 10,41 0,57 −9,93 115,84 −1,66 −1,77 112,88 13,68 118,68
[M P a], (7.5)
Cij0
Asint =
290,04 98,25 100,03 34,51 −0,59 −7,07 272,20 99,48 26,83 −2,06 −1,37 300,10 7,79 −1,60 −8,88 100,68 −3,12 −1,76 98,60 13,41 101,19
[M P a]. (7.6)