CN104007010A - 一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置 - Google Patents

Abstract

本发提供了一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，包括底座、组装式带轴盒子总成、轴承盖、滚动轴承、盒子支撑架、基座竖直板、直线运动球轴承支撑座、导轨轴、导轨中间支撑、直线运动球轴承、导轨轴两端支撑座，底座固定于试验台，两对导轨轴两端支撑座通过螺钉连接到基座竖直板上；导轨轴中间支撑固定在基座竖直板上。本发明采用一对组装式带轴盒子总成对生物样本构成支撑，该组装式带轴盒子总成两端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

一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置

技术领域

本发明主要涉及一种损伤生物力学试验装置，尤其涉及一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置。

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。在人体骨骼损伤过程中，其受到的载荷主要是动态载荷，例如交通事故、体育运动中人体损伤。因此，非常有必要研究人体骨骼在动态载荷作用下的力学响应。为获得准确的生物力学试验数据，要求试验装置自身对样本力学响应的影响越小越好。因此，有必要开发一种动态三点弯曲实验装置，为损伤生物力学提供更加精确的材料参数，促进该领域的发展。

目前，动态三点弯曲试验主要采用落锤试验机或材料试验机开展试验，其特点是加载方向为竖直方向，即重力的方向。开发一种可用于水平冲击的三点弯曲试验装置，将能够应用于汽车碰撞测试系统等水平加载设备中。

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，具体体现在如下几点：

1、生物样本的几何形态均是不规则体，且个体间形态各异，而不同的几何形状和受冲击方位对其生物力学响应影响较大。所以，在利用生物力学响应进行材料参数反求时，必须在试验前获得生物样本准确的几何尺寸和试验时的空间位置，并保证生物样本无损伤，以此来消除样本几何形状和受冲击方位对材料参数反求结果的影响。无损获取生物样本内外几何形态的最佳方法，是对其进行医学CT扫描。但是，医学CT对金属件进行扫描时会产生很大的伪影，影响生物样本几何形态的提取。因此，要求实验装置能够对样本在试验时的方位进行固定，并且在样本固定后能够方便地拆除对样本固定的夹具，而且拆除后能够复原样本试验时的方位。

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。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。因此，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。

4、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。

5、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动态三点弯曲装置的两支撑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。详细分析如下：

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。

因此亟需提供一种能够满足水平冲击损伤实验的三点弯曲试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，能够降低生物样本支撑端摩擦等约束对试验结果的影响，得到更准确的试验数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，包括底座、组装式带轴盒子总成、轴承盖、滚动轴承、盒子支撑架、基座竖直板、直线运动球轴承支撑座、导轨轴、导轨中间支撑、直线运动球轴承、导轨轴两端支撑座，其特征在于：

底座固定于试验台，

两对导轨轴两端支撑座通过螺钉连接到基座竖直板上；导轨轴中间支撑固定在基座竖直板上；

两根导轨轴安装到导轨轴支撑座上，

两对直线运动球轴承分别安装到导轨轴上，两对直线运动球轴承支撑座分别套到两对直线运动球轴承上，并通过轴用弹性挡圈固定位置；

盒子支撑架通过螺钉与直线运动球轴承支撑座固定；

将两对深沟球轴承分别套到组装式带轴盒子总成的阶梯轴上，然后安装到轴承座上，轴承座钻有螺纹孔，将轴承盖通过螺钉连接到盒子支撑架上，用来固定深沟球轴承及组装式带轴盒子总成。

进一步地，还包括支撑肋，其中，底座与支撑肋通过螺钉连接，支撑肋的另一端通过螺钉与基座竖直板连接。

进一步地，组装式带轴盒子总成由顶盖、后盖、侧盖和阶梯轴组成，通过螺钉连接固定；盒子支撑架由轴承座和连接板组成。

进一步地，两根导轨轴平行地安装到导轨轴支撑座上，并通过紧固螺钉固定；

进一步地，组装式带轴盒子总成与盒子支撑架通过滚动轴承连接，组装式带轴盒子能够绕阶梯轴的轴线自由转动。

进一步地，生物样本通过聚亚氨酯泡沫固定到一对组装式带轴盒子总成里，根据生物样本的长度不同，通过直线运动球轴承在导轨轴上的运动来调整位置

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用一对组装式带轴盒子总成对生物样本构成支撑，该组装式带轴盒子总成两端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、本发明中采用一对直线运动导套副，带轴盒子可以在导轨轴的方向上自由运动。在盒子转动的同时沿着生物样本的轴线运动，降低了样本两端的约束；

3、本发明中采用组装式盒子，能够方便快捷地对生物样本进行固定与拆卸，方便对生物样本进行CT扫描等；

4、本发明中采用可分式夹具，提高了夹装的效率，可以同时利用多组组装式盒子进行多个生物样本的试验准备，充分减少生物样本离开活体后的放置时间；

5、本发明中两带轴盒子的轴线距离可通过直线运动球轴承进行调节，满足了生物样本几何尺寸多样性的要求；

6、本发明能够实现冲击载荷的水平加载，满足汽车碰撞测试系统等水平加载设备的试验要求。

7、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；

图2时本发明装置的三维爆炸图；

图3是本发明的组装式带轴盒子总成结构立体图；

图4是本发明的盒子支撑架结构立体图。

其中：

1、底座                              2、组装式带轴盒子总成

3、轴承盖                            4、滚动轴承

5、盒子支撑架                        6、基座竖直板

7、直线运动球轴承支撑座              8、导轨轴

9、导轨轴中间支撑                    10、螺钉

11、直线运动球轴承                   12、导轨轴两端支撑座

13、支撑肋                           14、冲击杆冲头

15、生物样本                         16、传感器

201、阶梯轴                          202、顶盖

203、后盖                            204、侧盖

205、螺钉

501、轴承座                          502、连接板

具体实施方式

下面将结合图1～图3对本发明的具体技术方案进行详细描述。

如图1所示，水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，包括底座1、组装式带轴盒子总成2、轴承盖3、滚动轴承4、盒子支撑架5、基座竖直板6、直线运动球轴承支撑座7、导轨轴8、导轨中间支撑9、直线运动球轴承11、导轨轴两端支撑座12、支撑肋13，底座1固定于试验台，底座1钻有螺纹孔，通过螺钉与支撑肋13连接，支撑肋13的另一端通过螺钉与基座竖直板6连接。

两对导轨轴两端支撑座12通过螺钉连接到基座竖直板6上；导轨轴中间支撑9通过螺钉连接到基座竖直板上6，减小导轨轴在实验过程中的变形量；

两根导轨轴8安装到导轨轴支撑座12上，支撑座12非完全闭合，需要通过紧固螺钉拧紧；

两对直线运动球轴承11分别安装到导轨轴8上，两对直线运动球轴承支撑座7分别套到两对直线运动球轴承11上面，并通过轴用弹性挡圈固定位置；直线运动球轴承支撑座7上钻有螺纹孔，将盒子支撑架5通过螺钉与直线运动球轴承支撑座7固定；将两对深沟球轴承4分别套到一对组装式带轴盒子总成2上，然后安装到一对轴承座501上，轴承座501钻有螺纹孔，将轴承盖3通过螺钉10连接到盒子支撑架5上，用来固定深沟球轴承4及组装式带轴盒子总成2。

所述组装式带轴盒子总成2由顶盖202、后盖203、侧盖204和阶梯轴201组成，通过螺钉205连接固定；所述盒子支撑架5由轴承座501和连接板502组成。其中：

底座1与基座竖直板6分别开有螺纹孔，通过螺钉分别与支撑肋13连接；

导轨轴中间支撑9通过螺钉连接到基座竖直板上6；

图1中，箭头方向即为水平加载方向。

该实施案例中，两对直线运动球轴承11可以在导轨轴8上做直线运动。生物样本14通过聚亚氨酯泡沫固定到一对组装式带轴盒子总成2里面，根据生物样本的长度不同，可以通过直线运动球轴承11在导轨轴8上的运动来调整位置。此外采用盒子支撑架5与轴承盖3构成分开式轴承座，用来固定组装式式带轴盒子2和深沟球轴承4。

实验前，将生物样本14通过聚亚氨酯泡沫固定到一对组装式带轴盒子总成2里面，如图2所示。

生物样本的几何形态均是不规则体，且个体间形态各异，而不同的几何形状和受冲击方位对其生物力学响应影响较大。所以，在利用生物力学响应进行材料参数反求时，必须在试验前获得生物样本准确的几何尺寸和试验时的空间位置，并保证生物样本无损伤，以此来消除样本几何形状和受冲击方位对材料参数反求结果的影响。无损获取生物样本内外几何形态的最佳方法，是对其进行医学CT扫描。但是，医学CT对金属件进行扫描时会产生很大的伪影，影响生物样本几何形态的提取。因此，生物样本14通过聚亚氨酯泡沫固定到一对组装式带轴盒子总成2里并固化定型后，将连接带轴盒子总成2的多个螺钉205旋出以拆开带轴盒子总成2，将生物样本14及其两端固化的规则聚亚氨酯泡沫取出，以进行医学CT扫描，从而获得生物样本完整的几何形状及其在试验装置中试验时的准确位置。这样，就能够在进行材料参数反求时建立生物样本准确的有限元模型及其准确的碰撞位置。

利用多套组装式带轴盒子2可以同时进行多个生物样本的实验准备，组装式带轴盒子总成2及深沟球轴承4在分开式轴承座501与轴承盖3连接下定位，操作简单，大大提高了夹装的效率，充分保证了生物样本的真实性能。实验时，生物样本在水平冲击力的作用下弯曲，组装式带轴盒子总成2通过深沟球轴承4绕阶梯轴201的轴线自由转动，同时在两对直线运动球轴承11的带动下做水平直线运动，大大降低了摩擦和其他约束对实验结果的影响。

尽管参考附图详地公开了本发明，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 (6)

1.一种水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，包括底座底座(1)、组装式带轴盒子总成(2)、轴承盖(3)、滚动轴承(4)、盒子支撑架(5)、基座竖直板(6)、直线运动球轴承支撑座(7)、导轨轴(8)、导轨中间支撑(9)、直线运动球轴承(11)、导轨轴两端支撑座(12)，其特征在于： 

底座(1)固定于试验台， 

两对导轨轴两端支撑座(12)通过螺钉连接到基座竖直板(6)上；导轨轴中间支撑(9)固定在基座竖直板上(6)； 

两根导轨轴(8)安装到导轨轴支撑座(12)上， 

两对直线运动球轴承(11)分别安装到导轨轴(8)上，两对直线运动球轴承支撑座(7)分别套到两对直线运动球轴承(11)上，并通过轴用弹性挡圈固定位置； 

盒子支撑架(5)通过螺钉与直线运动球轴承支撑座(7)固定； 

将两对深沟球轴承(4)分别套到组装式带轴盒子总成的阶梯轴上，然后安装到轴承座(501)上，轴承座(501)钻有螺纹孔，将轴承盖(3)通过螺钉(10)连接到盒子支撑架(5)上，用来固定深沟球轴承(4)及组装式带轴盒子总成(2)。 

2.根据权利要求1所述的水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，其特征在于：还包括支撑肋(13)，其中，底座(1)与支撑肋(13)通过螺钉连接，支撑肋(13)的另一端通过螺钉与基座竖直板(6)连接。 

3.根据权利要求1所述的水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，其特征在于：组装式带轴盒子总成(2)由顶盖(202)、后盖(203)、侧盖(204)和阶梯轴(201)组成，通过螺钉(205)连接固定；盒子支撑架(5)由轴承座(501)和连接板(502)组成。 

4.根据权利要求1所述的水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，其特征在于：两根导轨轴(8)平行地安装到导轨轴支撑座(12)上，并通过紧固螺钉固定。 

5.根据权利要求1所述的水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，其特征在于：组装式带轴盒子总成(2)与盒子支撑架(5)通过滚动轴承(4)连接，组装式带轴盒子能够绕阶梯轴(201)的轴线自由转动。 

6.根据权利要求1所述的水平冲击式损伤生物力学动态三点弯曲试验装置，其特征在于：生物样本(14)通过聚亚氨酯泡沫固定到一对组装式带轴盒子总成(2)里，根据生物样本的长度不同，通过直线运动球轴承(11)在导轨轴(8)上的运动来调整位置。