CN103760037B - 一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发提供了一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：包括底座（1）、支撑座（2）、支撑轴承（3）、支撑轴（4）、压头（5）、传感器（6）、连接板（7）、行程开关（8）、挡板（9）、挡板固定螺钉（10）、支撑座固定螺钉（11）和刻度尺（12），本发明采用一对支撑轴和支撑轴承对生物样本构成支撑，支撑轴与支撑座间为滚动摩擦，降低了试验过程中摩擦力对生物试样自由弯曲的约束，减轻了生物样本在支撑处的变形，能够获得更准确的测试数据，更容易在有限元模型中设置边界条件进行材料参数反求。

Description

一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置和试验方法

技术领域

本发明主要涉及一种损伤生物力学试验装置，尤其涉及一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置。

背景技术

获得生物组织的力学性能和材料参数对于研究人工组织、拟人替代品或开发有限元模型具有重要的价值。为了获得人体或动物组织材料的力学性能，常用的方法之一是对试样进行三点弯曲试验，然后借助材料参数反求方法计算出材料参数。

生物力学试验是针对生物组织开展的一种力学试验。相对于常规机械材料，生物组织的特殊性决定了生物力学试验也不同于常规机械材料的测试试验，具体体现下如下几点：

1）生物组织的材料特性受应变率影响很大，在不同的加载速度下测量的力学响应差异较大。因此，生物力学试验装置不仅需要满足静态试验要求，还必须满足动态试验要求。

2）采用三点弯曲试验获得的生物力学试验数据，多采用基于有限元模型的材料参数反求来获得生物样本的材料参数，所以对试验的边界条件要求较高，除了加载力和支撑力，应尽可能避免或减小试验装置本身对样本的作用力，例如试验装置与样本接触部位的摩擦力、试样装置支撑处造成样本变形所引起的变形阻力等，这些影响很难量化，所以在有限元模型的边界条件中也很难设置并保证与试验情形一致。同时，为方便仿真中的边界条件设置，需要加载位置能够准确量化，即在试样正中加载，两支撑端对称布置。因此，要求生物力学试验装置对生物样本的摩擦力等约束力尽可能小、边界条件能够准确。

3）生物组织相对于常用的金属材料要软很多，例如钢材的弹性模量约为210GPa，而人体较硬股骨皮质骨的弹性模量仅约17Gpa，两者相差很大。因此，采用金属材料制作的试验装置相对于生物样本硬很多，正满足装置变形小的要求。但是，如果装置结构不合理，导致其对生物样本的约束力稍微大一些，可能使生物样本在约束力作用下产生较大变形，从而影响测试结果。因此，也需要生物力学试验装置对生物样本的摩擦力等约束力尽可能小。

4）生物力学试验样本要求在试验时装夹方便、快捷。生物样本离开活体后，其性能随时间变化较大，所以必须尽快开展试验，才能尽可能获得与活体近似的力学性能。另外，由于生物样本的差异化，必须使用较多的样本开展相同的试验，利用统计学方法得到样本的力学参数，较多的样本数量和试验数量也要求试验样本的装夹能够方便、快捷。

5）在截取试样进行试验时，试样的大小需要根据组织的特点确定，由于生物组织的多样性，试样的大小必然是不同的。因此，要求用于生物力学试验的三点弯曲装置的两支撑轴间距能够根据试样大小进行调节。

目前，可查的用于材料力学性能测试的三点弯曲试验的试验装置较多。公开号为CN202903617U，专利名称为“原位三点弯曲试验装置”的中国专利采用较为新颖的方式精确测定样品在微纳米尺度下的准静态力学性能，但不适合对样本进行动态试验，无法用于测量不同应变率下生物试样的力学响应。

公开号为CN102607834A，发明名称为“一种用于结构试件三向载荷同步加载的疲劳试验装置”的中国专利能在三个方向同时加载进行疲劳试验，然而其试样在实验前的装夹比较复杂，所需的试验准备比较长，不满足损伤生物力学试验所要求的试样装夹方便、试验效率高的要求。

公开号为CN203083889U，发明名称为“腐蚀疲劳三点弯曲裂纹扩展试验装置的发明专利，结构简单，便于加工制造，但对中固定加载不方便，在试验时样本放置比较繁琐，也不宜开展动态冲击试验，不适合进行生物力学试验。

公开号为CN202814781U，专利名称为“一种线材三点弯曲试验装置”的发明专利能够对直径较小的线材进行对中和固定，以便进行三点弯曲试验，但该装置在试验过程中支撑处对样本的变形阻力较大，不适合质地较软的生物组织材料试验。

公开号为CN102183408A，专利名称为“活体鼠尺骨三点或四点弯曲疲劳试验夹具”的中国专利能利用活体鼠进行试验，着力点明确，定位精准，但其装夹定位比较麻烦，进行大量的样本试验效率不高。同时该专利涉及的装置支撑端均是固定的，不能转动，在试验过程中试样与支撑端间为滑动摩擦，摩擦力较大，对试验结果的影响较大，也不方便应用于基于有限元模型的材料参数反求。

为了解决上述问题，本发明在样本两端设计了挡板及刻度尺，方便样本对中放置，提高了样本装夹效率，减小了样本放置时间对其性能的影响；在样本的两支撑端采用了轴-轴承的结构，试验中支撑轴会随着样品的弯曲而转动，两端的支撑轴相对于支撑座滚动，而轴承的滚动摩擦系数比滑动摩擦小，降低了支撑轴的摩擦阻力，同时支撑轴相对样本滚动也可以避免其造成样本局部变形过大，从而大大减少对样品两端变形运动的约束，使测得的试验数据更精确，更适用于基于有限元方法的材料参数反求。

发明内容

本发明目的是提供一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，能够降低支撑端摩擦对试验数据的影响，得到更准确的试验数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：包括底座、支撑座、支撑轴承、支撑轴、压头、传感器、连接板、行程开关、挡板、挡板固定螺钉、支撑座固定螺钉和刻度尺，其中：

底座中间开有导向槽，在导向槽两侧，分别开有一个平行于导向槽的矩形槽，在两个矩形槽中分别安装尺寸对中布置的刻度尺，该刻度尺能够在矩形槽内滑动。

一对支撑座安装在底座上，其下部为凸起的导轨，与底座的导向槽配合，支撑座能够沿导向槽直线滑动并调节两支撑轴的轴线距离；支撑轴通过滚动轴承安装在支撑座上。

试验时，根据压头的轴线位置，调整刻度尺的位置，使刻度尺的0点与压头的轴线对正；同时，根据生物试样的大小，确定并调整两支撑轴的轴间距。

在每个支撑座的上部开有矩形导向槽，在导向槽内安装可沿导向槽自由滑动的挡板；

在支撑座的内侧，支撑轴的下方，安装有行程开关。

压头和传感器通过螺纹连接，压头与生物试样接触的部分为圆柱轴，传感器与连接板通过螺纹连接。

进一步地，在刻度尺的两端各开有一个长腰孔，调整位置后可通过螺钉固定在底座上。

进一步地，一对支撑座根据刻度尺的位置进行调整，以保证支撑轴关于刻度尺的0点对称。

进一步地，支撑座的两侧都开有腰孔，在根据刻度尺调整好其位置后，通过支撑座两侧开设的腰孔用支撑座固定螺钉固定在底座上。

进一步地，根据生物试样的大小，按照支撑座上的刻度调节两个挡板的位置。

进一步地，调节好两挡板的位置后，可以通过挡板固定螺钉将挡板固定在支撑上。

本发明还提出了一种利用轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置的试验方法,其特征在于：

步骤1、根据生物力学试验的试验样本，确定其样本尺寸；

步骤2、将底座通过螺钉固定在材料试验机的底座上；

步骤3、检查并清除底座导轨内的异物；

步骤4、将一对支撑座安装在底座导轨上，使之能够顺畅滑动；

步骤5、将压头和传感器通过连接板用螺钉固定在材料试验机的移动加载装置上，然后移动其中一个支撑座，是其上的支撑轴与压头上的圆柱接触，转动压头使其轴线与支撑轴平行，然后再将压头、传感器及连接板固定在材料试验机的移动加载装置上；

步骤6、将两个刻度尺分别安装在底座的矩形槽内，根据压头中心线的位置，调整两个刻度尺，分别使其0点与压头中心线对齐，然后使用螺钉将刻度尺固定在底座上；

步骤7、根据生物试样的尺寸大小，确定两支撑轴的轴线距离；

步骤8、根据两个刻度尺调整两个支撑座的位置，使得支撑座上支撑轴轴线的间距满足生物试样尺寸的要求，并且两支撑轴的轴线关于刻度尺0线对称；使用支撑座固定螺钉将其固定；

步骤9、根据生物试样的尺寸大小，调整支撑座上调整挡板的位置，使得两个挡板内侧的间距与生物试样的尺寸一致，并且左、右两个挡板内侧分别距离相应的支撑轴的距离相同；

步骤10、检查两个支撑轴和压头的表面无异物；

步骤11、检查两个支撑轴是否能顺畅旋转；

步骤12、使用医用镊子夹持生物样本放置在两个挡板间的两个支撑轴上，压住生物试样上表面，使样本带动支撑轴转动，检查支撑轴和轴承是否转动平顺；

步骤13、进行动态冲击试验，调整压头至生物样本断裂位置，进而调整行程开关的位置，使得压头至该位置即触发行程开关；

步骤14、通过材料试验机使压头向下移动，对试样进行加载，完成三点弯曲试验

由以上可知，本发明作为一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，有如下优点：

1、本发明采用一对支撑轴和支撑轴承对生物样本构成支撑，支撑轴与支撑座间为滚动摩擦，降低了试验过程中摩擦力对生物试样自由弯曲的约束，减轻了生物样本在支撑处的变形，能够获得更准确的测试数据，更容易在有限元模型中设置边界条件进行材料参数反求；

2、本发明中在生物样本两端设计了挡板及刻度尺，方便生物样本对中放置，提高了生物样本装夹效率，减小了生物样本放置时间对其性能的影响，同时也使得更容易在有限元材料参数反求模型中定义生物样本的位置，提供了模型的尺寸精度；

3、本发明中两支撑轴的轴线距离可通过支撑座进行调节，满足了生物样本几何尺寸多样性的要求；

4、本发明不仅能够用于生物样本的静态实验，也能用于生物样本的动态冲击试验，满足了测试生物样本应变率对其材料性能影响的要求；

5、本发明的装置操作简单，可重复性好，装夹方便效率高，试样的边界条件便于仿真模拟。

附图说明

图1是本发明的结构立体图（不包含连接板）；

图2是本发明的正视图。

其中：

1、底座2、支撑座

3、支撑轴承4、支撑轴

5、压头6、传感器

7、连接板8、行程开关

9、挡板10、挡板固定螺钉

11、支撑座固定螺钉12、刻度尺

具体实施方式

以下将结合附图1和图2对本发明的具体技术方案进行详细描述。

生物力学试验是针对生物组织开展的一种力学试验，可以利用试验数据计算出生物组织的材料参数。与常用的金属材料的力学试验相比，生物力学试验有其自身的特点：

1）生物组织的材料特性受应变率影响很大，在不同的加载速度下测量的力学响应差异较大。因此，生物力学试验装置不仅需要满足静态试验要求，还必须满足动态试验要求。

2）采用三点弯曲试验获得的生物力学试验数据，多采用基于有限元模型的材料参数反求方法来获得生物样本的材料参数。有限元模型中定义约束、加载等边界条件通常都是理想化的，与实际试验有一些差异。例如，加载位置在样本正中，仿真中可以非常准确地定义在样本正中，但在试验时，很难绝对在样本正中加载。另外，实验中支撑处的摩擦力是无法测量，但其对测试结果有影响，在仿真中无法准确设置，所以支撑与样本间的摩擦力越小越好。因此，要求生物力学试验装置对生物样本的摩擦力等约束力尽可能小、边界条件能够准确。

3）生物组织相对于常用的金属材料要软很多，例如钢材的弹性模量约为210GPa，而人体较硬股骨皮质骨的弹性模量仅约17Gpa，两者相差很大。因此，采用金属材料制作的试验装置相对于生物样本硬很多，正满足装置变形小的要求。但是，如果装置结构不合理，导致其对生物样本的约束力稍微大一些，可能使生物样本在约束力作用下产生较大变形，从而影响测试结果。因此，也需要生物力学试验装置对生物样本的摩擦力等约束力尽可能小。

4）生物样本离开活体后，其性能随时间变化较大，所以必须尽快开展试验，才能尽可能获得与活体近似的力学性能。另外，由于生物样本的差异化，必须使用较多的样本开展相同的试验，利用统计学方法得到样本的力学参数，较多的样本数量和试验数量也要求试验样本的装夹能够方便、快捷。因此，生物力学试验样本要求在试验时装夹方便、快捷。

5）在截取试样进行试验时，试样的大小需要根据组织的特点确定，由于生物组织的多样性，试样的大小必然是不同的。因此，要求用于生物力学试验的三点弯曲装置的两支撑轴间距能够根据试样大小进行调节。

如图1所示，轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置包括固定于材料试验机上的底座1，底座1中间开有笔直的导向槽，在底座1的导向槽两侧，分别开有一个平行于导轨的矩形槽，矩形槽内侧与支撑座2的外侧正好接触。在两个矩形槽中分别安装一个尺寸对中布置的刻度尺12，该刻度尺12能够在矩形槽内滑动。试验时需要根据压头5的轴线位置，调整刻度尺12的位置，使刻度尺12的0点与压头5的轴线对正，以保证压头5在两支撑轴4的正中。在刻度尺12的两端各开有一个长腰孔，调整好位置后可以通过螺钉固定在底座1上。在底座1导轨两侧设置的2个刻度12尺能够最大程度保证两对支撑座2的间距准确和两对支撑轴4平行。

安装在底座1上的支撑座2，其下部为凸起的笔直导轨，与底座1的导向槽配合，要求两者配合精度高，使得支撑座2能够顺畅地沿导向槽直线滑动，但不能在导向槽内发生偏斜而造成一对支撑座2上安装的一对支撑轴4不平行，否则会影响试验结果的准确性。支撑座2可沿底座1的导向槽滑动以调节两支撑轴4的轴线距离，以满足生物试样尺寸多样化对支撑轴4的轴间距的要求。

可以根据生物试样的大小，确定并调整两支撑轴4的轴间距。一对支撑座2需要根据刻度尺12的位置进行调整，以保证支撑轴4关于刻度尺12的0点对称。两对支撑座2的两侧都开有腰孔，在根据刻度尺12调整好其位置后，通过支撑座2两侧开设的腰孔用支撑座固定螺钉11固定在底座1上，保证试验过程中两支撑轴4的轴间距保持不变。

生物样本相对于金属质地软很多，要准确测量生物样本自身的生物力学响应，应尽可能降低生物力学试验装置对生物样本施加的不可量化的摩擦力、阻碍生物样本自由弯曲的阻力等。因此，支撑生物样本的一对支撑轴4，通过滚动轴承3安装在支撑座2上。试验过程中，支撑轴4在支撑轴承3内滚动，两者间为滚动摩擦，摩擦系数低于滑动摩擦。支撑轴4的滚动阻力的降低，使得其对生物试样的自由弯曲阻碍减小，支撑轴4对生物样本与其接触部位造成的变形也会减小。这种结构降低了试验装置的摩擦力、支撑力对试样自由弯曲的阻碍，能够更准确地测量试样自身的生物力学响应，更适合对其进行有限元计算仿真以反求生物试样的材料参数。

在每个支撑座2的上部开有矩形导向槽，在导向槽内安装可沿导向槽自由滑动的挡板9，防止试验过程中生物样本在其长度方向上串动。导向槽两侧设有刻度，能够准确记录挡板9端部与支撑轴4轴线的距离。可以根据生物试样的大小，按照支撑座2上的刻度快速方便地调节两个挡板9的位置。两挡板9与支撑轴4的间距要一致，以保证压头5作用在样本的正中。调节好两挡板9的位置后，可以通过挡板固定螺钉10将挡板9固定在支撑座2上。通过支撑座2上的一对挡板5，能够快速将生物样本对中放置，保证了生物样本的高效装夹定位，且能防止样本试验过程中在长度方向的窜动。

在支撑座2的内侧，支撑轴4的下方，安装有行程开关8。行程开关8的位置能够沿支撑座2上下移动。在进行动态冲击试验时，开启该行程开关8。调节行程开关8的上下位置，使得压头6对生物试样冲击并造成破坏后，能够正好触及该行程开关8，从而输出一个试验完成信号，对冲击头5进行减速制动。

压头5和传感器6通过螺纹连接，压头与样本接触的部分是一根确定直径的圆柱轴，传感器6与连接板7通过螺纹连接，如图2所示。连接板通过螺钉连接到材料试验机上。

压头5上的圆柱轴的轴线，必须与两个支撑轴4平行，否则在进行材料参数反求时无法有效准确地设定压头的角度。在安装压头5时，可通过移动支撑座2使得支撑轴4与压头5接触贴合，从而保证压头5上的圆柱轴的轴线与两支撑轴4平行。

如图2所示，压头5、传感器6、连接板7构成施加压力的部分，其余的部分则是支撑部分。

本发明的试验过程如下：

1.根据生物力学试验的试验样本，确定其样本尺寸。

2.将底座1通过螺钉固定在材料试验机的底座上。

3.检查并清除底座1导轨内的异物。

4.将一对支撑座2安装在底座1导轨上，使之能够顺畅滑动。

5.首先将压头5和传感器6通过连接板7用螺钉轻轻固定在材料试验机的移动加载装置上，然后移动其中一个支撑座2，是其上的支撑轴4与压头5上的圆柱接触，转动压头5使其轴线与支撑轴4平行，然后再将压头5、传感器6及连接板7紧紧固定在材料试验机的移动加载装置上。

6.将两个刻度尺12分别安装在底座1的矩形槽内，根据压头5中心线的位置，调整两个刻度尺12，分别使其0点与压头5中心线对齐，然后使用螺钉将刻度尺12固定在底座1上。

7.根据生物试样的尺寸大小，确定两支撑轴4的轴线距离。

8.根据两个刻度尺12调整两个支撑座2的位置，使得支撑座2上支撑轴4轴线的间距满足生物试样尺寸的要求，并且两支撑轴4的轴线关于刻度尺0线对称。调整好支撑座2的位置后，使用支撑座固定螺钉11将其固定。

9.根据生物试样的尺寸大小，根据支撑座2上的刻度调整挡板9的位置，使得两个挡板9内侧的间距与生物试样的尺寸一致，并且左、右两个挡板9内侧分别距离相应的支撑轴4的距离相同。调整好两个挡板9位置后，使用挡板固定螺钉10固定在支撑座2上。

10.检查两个支撑轴4和压头5的表面无异物。

11.检查两个支撑轴4是否能顺畅旋转。

12.使用医用镊子夹持生物样本放置在两个挡板9间的两个支撑轴4上，然后用镊子轻轻压住生物试样上表面，使样本带动支撑轴4转动，检查支撑轴4和轴承3是否转动平顺。

13.如果进行动态冲击试验，调整压头5至生物样本断裂位置，进而调整行程开关8的位置，使得压头5至该位置即触发行程开关8。如果进行静态三点弯曲试验，则不需要进行此步骤。

14.通过材料试验机使压头5向下移动，对试样进行加载，进行三点弯曲试验。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：包括底座(1)、支撑座(2)、支撑轴承(3)、支撑轴(4)、压头(5)、传感器(6)、连接板(7)、行程开关(8)、挡板(9)、挡板固定螺钉(10)、支撑座固定螺钉(11)和刻度尺(12)，其中：

底座(1)中间开有导向槽，在导向槽两侧，分别开有平行于导向槽的矩形槽，在两个矩形槽中分别安装尺寸对中布置的刻度尺(12)，该刻度尺(12)能够在矩形槽内滑动；

一对支撑座(2)安装在底座(1)上，其下部为凸起的导轨，与底座(1)的导向槽配合，支撑座(2)能够沿导向槽直线滑动并调节两支撑轴(4)的轴线距离；支撑轴(4)通过滚动轴承(3)安装在支撑座(2)上；

试验时，根据压头(5)的轴线位置，调整刻度尺(12)的位置，使刻度尺(12)的0点与压头(5)的轴线对正；同时，根据生物试样的大小，确定并调整两支撑轴(4)的轴间距；

在每个支撑座(2)的上部开有矩形导向槽，在导向槽内安装可沿导向槽自由滑动的挡板(9)，

在支撑座(2)的内侧，支撑轴(4)的下方，安装有行程开关(8)；

压头(5)和传感器(6)通过螺纹连接，压头与生物试样接触的部分为圆柱轴，传感器(6)与连接板(7)通过螺纹连接；

在刻度尺(12)的两端各开有一个长腰孔，调整位置后可通过螺钉固定在底座(1)上；

一对支撑座(2)根据刻度尺(12)的位置进行调整，以保证支撑轴(4)关于刻度尺(12)的0点对称。

2.根据权利要求1所述的轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：支撑座(2)的两侧都开有腰孔，在根据刻度尺(12)调整好其位置后，通过支撑座(2)两侧开设的腰孔用支撑座固定螺钉(11)固定在底座(1)上。

3.根据权利要求1所述的轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：根据生物试样的大小，按照支撑座(2)上的刻度调节两个挡板(9)的位置。

4.根据权利要求1所述的轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置，其特征在于：调节好两挡板(9)的位置后，可以通过挡板固定螺钉(10)将挡板(9)固定在支撑座(2)上。

5.一种利用轴承式损伤生物力学三点弯曲试验装置的试验方法,其特征在于：

步骤1、根据生物力学试验的试验样本，确定其样本尺寸；

步骤2、将底座(1)通过螺钉固定在材料试验机的底座上；

步骤3、检查并清除底座(1)导轨内的异物；

步骤4、将一对支撑座(2)安装在底座(1)导轨上，使之能够顺畅滑动；

步骤5、将压头(5)和传感器(6)通过连接板(7)用螺钉固定在材料试验机的移动加载装置上，然后移动其中一个支撑座(2)，是其上的支撑轴(4)与压头(5)上的圆柱接触，转动压头(5)使其轴线与支撑轴(4)平行，然后再将压头(5)、传感器(6)及连接板(7)固定在材料试验机的移动加载装置上；

步骤6、将两个刻度尺(12)分别安装在底座(1)的矩形槽内，根据压头(5)中心线的位置，调整两个刻度尺(12)，分别使其0点与压头(5)中心线对齐，然后使用螺钉将刻度尺(12)固定在底座(1)上；

步骤7、根据生物试样的尺寸大小，确定两支撑轴(4)的轴线距离；

步骤8、根据两个刻度尺(12)调整两个支撑座(2)的位置，使得支撑座(2)上支撑轴(4)轴线的间距满足生物试样尺寸的要求，并且两支撑轴(4)的轴线关于刻度尺0线对称；使用支撑座固定螺钉(11)将其固定；

步骤9、根据生物试样的尺寸大小，调整支撑座(2)上调整挡板(9)的位置，使得两个挡板(9)内侧的间距与生物试样的尺寸一致，并且左、右两个挡板(9)内侧分别距离相应的支撑轴(4)的距离相同；

步骤10、检查两个支撑轴(4)和压头(5)的表面无异物；

步骤11、检查两个支撑轴(4)是否能顺畅旋转；

步骤12、使用医用镊子夹持生物样本放置在两个挡板(9)间的两个支撑轴(4)上，压住生物试样上表面，使样本带动支撑轴(4)转动，检查支撑轴(4)和轴承(3)是否转动平顺；

步骤13、进行动态冲击试验，调整压头(5)至生物样本断裂位置，进而调整行程开关(8)的位置，使得压头(5)至该位置即触发行程开关(8)；

步骤14、通过材料试验机使压头(5)向下移动，对试样进行加载，完成三点弯曲试验。