CN108344650B - 用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，属于科学仪器与材料力学性能测试领域。拉伸‑压缩加载单元、冲击加载单元分别安装在矩形框架两侧，复合生物材料试件安装在拉伸‑压缩加载单元上，矩形框架安装在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与位检测单元中的高速相机呈三角形分布且角度固定。利用电磁力作驱动力对复合生物材料试件施加任意载荷比的拉‑冲击或压‑冲击耦合载荷，利用力传感器检测施加在试件的拉伸或压缩载荷以及电阻应变片检测试件所受的冲击载荷，同时利用高速相机对生物材料样品试件的受力变形和裂纹萌生、扩展等进行原位检测。该装置可为生物材料冲击实验提供有效测试工具。

Description

用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置

技术领域

本发明涉及生物材料力学性能测试领域，属仪器仪表类，特别涉及生物材料冲击载荷实验系统，尤指一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置。利用电磁力做驱动力对生物材料施加拉伸、压缩和冲击耦合载荷，同时利用高速相机对复合生物材料试件进行原位检测，为揭示生物材料在拉伸和压缩预载荷条件下，受冲击载荷时的变形损伤机制和性能演化规律提供了一种新型实验装置。

背景技术

无论是在现在机械工程领域还是在日常生活领域中，冲击载荷都有着普遍的分布，冲击载荷是指一种大小随时间快速变化的载荷。由于冲击载荷对工程材料和生物材料的使用和安全有重大影响，因此研究冲击载荷显的得尤为重要。目前应用较为广泛的冲击载荷加载装置有摆锤、落锤、霍普金森杆、轻气炮、电磁冲击等。落锤式冲击实验机是利用落锤冲击实验件而施加冲击载荷，这种装置具有结构简单、操作方便的特点，但也具有体积过大、冲击速度一般不超过16m/s、不能实现恒速加载和恒定载荷加载等缺点。轻气泡冲击实验机适用于平板撞击、斜板撞击实验，也可用于对高应变材料的动态性能研究、应力波在实验材料中传播性的研究。这种冲击加载方式具有清洁、无污染、适用于较复杂的动态性能实验等优点，但这种加载设备的适用范围非常有限，主要缺点是设备结构复杂，运行成本高。霍普金森杆是实验室和工程中常用的一种冲击加载方式，具有结构简单、便于操作，测量方法准确、施加波形容易控制、应变率测量范围广等优点，但在材料的测试上具有局限性，对金属或合金为主的材料，由于金属的塑性变形能力强，拉伸或压缩具有对称性，因此测量误差小，但对于结构具有多变性且复杂的复合材料，其阻抗、延展性与金属相比有较大差距，不适合采用这种实验装置。生物材料一般均为有机高分子复合材料，因此在生物材料测试中不适宜使用霍普金森杆。以上所述的冲击加载装置具有体积大、成本高、安全性差、适用范围小等局限。

生物材料一般指生物医学材料，是一类人工或天然的材料，可与药物一起制成部件或器件用于人体的组织、器官的治疗、代替或增强，例如假牙、假肢等，而且不会对生物体产生明显或潜在的危害。生物材料研究的首要目的够修复甚至代替人体的器官和组织，并且能够发挥生理功能作用。生物材料种类众多，依据材料的生物性能可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料。生物惰性材料指一类可在生物环境中稳定存在，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料。主要有氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料等几类，这类材料可用来制作人工关节做生物体的制成材料。生物活性材料是一类能够实现调节生物活性的生物医学材料主要有以下几类：羟基磷灰石（这种材料也是生物体骨头和牙齿的主要无机成分），磷酸钙生物活性材料，磁性材料，生物玻璃。生物降解材料指植入人体后，能不断被水解且分解的产物能够被生物体吸收或排出体外的一类材料。生物复合材料，顾名思义，由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，该材料主要用于修复、替换人体组织、器官或增进其功能和制造人体器官。如今，生物材料科学已经成为一门与现代医学、保健等系统密切相关的学科，不仅如此，它还与材料、生物化学、物理等学科有着密切关联，生物材料由于重要的使用价值因而得到了世界各国的广泛重视，具有很高的研究意义和有非常好的应用前景。

现在市场上出售的冲击载荷试验机多存在载荷加载单一，应用范围小等不足之处，考虑到生物材料和生物体一般都处于复杂应力环境，受到的载荷多为拉-冲击或压-冲击耦合载荷，故不能较好的模拟并反映生物材料真实使用环境下的力学性能以及损伤机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，解决了现有冲击加载装置存在的体积大、成本高、安全性差、适用范围小等问题，解决了冲击载荷试验机多存在载荷加载单一，应用范围小等不足。本发明采用了电磁力作为驱动冲击载荷的动力。利用电磁力作为冲击载荷的动力的研究目前正处于初级阶段，但电磁力作为冲击载荷驱动力具有安全性好、体积小、加载范围大、结构紧凑等优势。电磁冲击速度具有一定的限制而且冲击频率较低，本发明中生物材料多为仿生骨类材料，相比较其它金属材料，强度、刚度较小，因而对速度和冲击载荷大小要求不高，因此利用电磁力作为本发明装置中的冲击载荷的驱动力具有明显优势。本发明从生物材料和生物体真实受力环境的角度出发，利用电磁力作驱动力实现任意载荷比的静-动态耦合载荷的加载，完成了对真实工作环境应力状态的模拟，同时利用高速相机对试件的受力变形、裂纹萌生、扩展进行实时动态监测，因而本发明可为生物材料冲击力学性能测试提供一种有效的实验装置。

本发明可实现对试件在受拉伸或压缩载荷和冲击载荷耦合条件下的力学性能测试。本发明主要有拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、试件等组成。电磁铁器件输出载荷大、体积小、结构紧凑等优势，电磁铁吸盘可对试件施加较大运动行程的单轴拉伸或压缩载荷的预加载，同时利用电磁铁吸盘对试件施加冲击载荷，可实现不同模式的静-动态耦合载荷加载。高速相机具有速度快，图片质量好，分辨率高等优势，通过高速相机对试件受冲击瞬间的受力变形和裂纹扩展进行原位检测。同时对生物材料试件进行改进设计，使其更好地反映出生物材料力学性能。因此，本发明可对生物体结构和生物材料在生物体环境服役等情况下由冲击载荷引发的受损机理提供有效的测试工具。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，包括拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件，其中拉伸-压缩加载单元、冲击载荷加载单元、复合生物材料试件等集成布置在矩形框架内，矩形框架一侧垂直布置拉伸-压缩加载单元，复合生物材料试件两端的凹槽固定安装在拉伸-压缩加载单元的夹具体上，在矩形框架对立一侧将冲击载荷加载装置水平布置并固定在丝杠滑块上，实验过程中利用冲击加载单元中的冲击杆撞击复合生物材料试件实现冲击载荷的加载。矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形形式分布且角度固定，高速相机通过丝杠滑块模组可对两自由度平面的位置进行精确调整，此外通过伺服电机驱动原位检测单元中的齿轮可绕圆形底座中心转动以调节检测位置。

所述的拉伸-压缩加载单元包括力传感器9、下夹具体10、螺母27、调节螺栓A28、上夹具体12、电磁铁吸盘A13、永磁铁A29、压紧件A30、滑块31、导轨32等。其中，一对导轨32垂直安装在矩形框架14内侧，滑块31与导轨32形成滑动副, 上、下夹具体12、10固定在滑块31上，上、下夹具体12、10垂直分布，下夹具体10与固定安装在矩形框架14上的力传感器9固连，上夹具体12两端部的上下两侧分别安装有永磁铁A29；电磁铁吸盘A13通过调节螺栓A28和螺母27安装在矩形框架14上，并与永磁铁A29保持中心重合的位置关系；通过调节螺栓A28调节电磁铁吸盘A13的位置高度以适应不同尺寸的复合生物材料试件。

所述的冲击加载单元包括联轴器19、步进电机B20、光杠B21、丝杠B22、电磁铁吸盘B23、冲击杆24、滑块B25、支撑架26、压紧件安装螺钉A33、支撑件安装螺钉34、压紧件B35、套筒36、永磁铁B38、调节螺栓B39等。其中，永磁铁B38安装在冲击杆24杆尾，冲击杆杆头为圆锥状，冲击杆24安装在套筒36内并可沿水平方向自由移动，利用压紧件安装螺钉33将套筒36固定在压紧件B35上，利用支撑件安装螺钉A 34将压紧件固定在支撑架26上，电磁铁吸盘B23通过调节螺栓B39固连在滑台B25上，冲击杆24和电磁铁吸盘B23保持中心重合安装；滑台B25由光杠B21约束使其沿垂直方向移动，丝杆B22通过联轴器19与步进电机B20连接，步进电机B20驱动丝杠B22将旋转运动转化为滑台B25垂直方向上的移动。

所述的原位检测单元包括高速相机15、步进电机A1、丝杠A2、光杠A3、滑台A4、丝杠滑块模组5、回转平台6、伺服电机16、齿轮17、相机底座18等。高速相机15固定在相机底座18上，相机底座18通过螺钉固连在滑台A4上，利用光杠A 3约束滑块A4的自由度，并在与步进电机A 1刚性连接的丝杠A2驱动下沿垂直方向移动，一对丝杠滑块模组5相互垂直安装并固定在回转平台6上，回转平台6一端与圆形底座7形成转动副，伺服电机16与齿轮17刚性连接并共同安装在回转平台6上，齿轮17与安装在圆形底座7上的齿圈8相互啮合，通过伺服电机16驱动回转平台6绕圆形底座的中心回转，以此调节原位检测单元中高速相机的观测角度。

所述的复合生物材料试件包括凹槽40、骨水泥41、人工皮肤42、电阻应变片43、人工肌肉44、生物骨材料45等。生物骨材料45外部包裹人工肌肉44，在人工肌肉外包裹人工皮肤42，制成圆柱状的试件主体，在试件主体表层中部嵌有电阻应变片43以检测所受的冲击载荷，试件主体两端用骨水泥41封装在凹槽40中，制成冲击实验的复合生物材料试件11。

利用电磁力作驱动力为复合生物材料试件11施加拉伸、压缩载荷，上夹具体12两端的上下侧安装有永磁铁A29，在永磁铁A29上下两侧，分别安装一对电磁铁吸盘A13，并且电磁铁吸盘A13和永磁铁A29保持中心重合的方式安装，实验时利用电磁铁吸盘A13与永磁铁A29之间的强相互作用力作驱动力，可对复合生物材料试件11施加大小可调的拉伸、压缩载荷或交变载荷，以模拟不同工作环境或工况中的拉伸或压缩载荷；复合生物材料试件11两端的凹槽40固定安装在上、下夹具体12、10上并由压紧件A30夹紧固定，在导轨32的引导下，复合生物材料试件11沿垂直方向拉伸或压缩。

利用电磁力作驱动力为复合生物材料试件11施加冲击载荷，冲击杆24和套筒36形成移动副并在其引导下保持确定的冲击方向，冲击杆杆尾安装有永磁铁B38，冲击杆杆头制成圆锥形状以增大冲击应力；电磁铁吸盘B23安装在滑台B25上，并与冲击杆24保持中心重合的位置关系，通过对电磁铁吸盘B23接通大小可调的电流来控制电磁力的强弱，从而为复合生物材料试件11施加可调节的不同程度大小的冲击载荷，通过与拉伸压缩单元产生的大小可调的静载荷相耦合，可实现对复合生物材料试件任意载荷比的动-静态耦合载荷加载功能。

利用原位检测单元中的两架高速相机15与复合生物材料试件11呈三角形形式分布并对其受力变形和裂纹萌生、发展过程进行原位检测，利用高速相机15立体匹配计算的特点，可实时得到复合生物材料试件的表面特征变化和立体模型的变形，实现对复合生物材料试件表面360°全局立体式原位检测。两架高速相机15分别安装在机械加载装置的两侧并与其呈固定角度分布，高速相机15通过丝杠滑台模组5在双自由度平面上进行精确的位置调节以确定和复合生物材料试件之间的距离和高度，丝杠滑台模组5固定安装在回转平台6上，伺服电机16与安装在回转平台6底部的齿轮17刚性连接，齿轮17与安装在圆形底座7上的齿圈8啮合，利用伺服电机16驱动原位检测单元绕底座中心旋转可调节高速相机16与复合生物材料试件11之间的夹角。

本发明的有益效果在于：结构紧凑，与其它实验装置相比，本发明可实现对拉-冲击或压-冲击耦合载荷下生物材料冲击力学性能测试，并对生物材料试件进行了改进设计，使实验可更好地检测生物材料和生物体材料的受力及变形情况。与此同时，本发明集成了高速相机进行原位检测，可对被测试件受力变形和裂纹萌生、扩展等现象进行实时动态检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图 1为本发明的整体外观结构示意图；

图 2为本发明的整体结构等轴测示意图；

图 3为本发明的载荷加载机构整体示意图；

图 4为本发明的冲击载荷加载单元示意图；

图 5为本发明的复合生物材料试件结构示意图。

图中：1、步进电机A；2、丝杠A；3、光杠A；4、滑台A；5、丝杠滑台模组；6、回转平台；7、圆形底座；8、齿圈；9、力传感器；10、下夹具体；11、复合生物材料试件；12、上夹具体；13、电磁铁吸盘A；14、矩形框架；15、高速相机；16、伺服电机；17、齿轮；18、相机底座；19、联轴器；20、步进电机B；21、光杠B；22、丝杠B；23、电磁铁吸盘B；24、冲击杆；25、滑台B；26、支撑架；27、螺母；28、调节螺栓A；29、永磁铁A；30、压紧件A；31、滑块；32、导轨；33、压紧件安装螺钉A；34、支撑件安装螺钉；35、压紧件B；36、套筒；37、压紧件安装螺钉B；38、永磁铁B；39、调节螺栓B；40、凹槽；41、骨水泥；42、人工皮肤；43、电阻应变片；44、人工肌肉；45、生物骨材料。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明是用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，由拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件组成。拉伸压缩加载单元中的上夹具体12与永磁铁A29实为一体，电磁铁吸盘A13与永磁铁A29保持同心安装。使用电磁铁吸盘A13、电磁铁吸盘B23为实验提供拉伸、压缩和冲击载荷，利用力传感器9对拉伸、压缩载荷进行检测，利用电阻应变片43对施加在复合生物材料试件11的冲击载荷进行检测。同时利用高速相机15对复合生物材料试件11的受力变形和破坏情况进行原位检测，通过丝杠滑台模组5对冲击加载单元、高速相机15的位置进行精准的调节。

所述的拉伸-压缩加载单元包括力传感器9、下夹具体10、螺母27、调节螺栓A28、电磁铁吸盘A13、压紧件A30、上夹具体12、永磁铁A29、滑块31、导轨32、压紧件安装螺钉A33等。所述的滑块31与导轨32形成移动副，上、下夹具体12、10安装在滑块31上，上、下夹具体12、10、压紧件A30通过压紧件安装螺钉A33固定安装复合生物材料试件11，电磁铁吸盘A13通过调节螺栓A28、螺母27安装在上、下夹具体12、10两侧，通过调节螺栓A28、螺母27可以调节电磁铁吸盘A13高度以适应不同长度的复合生物材料试件11。拉伸-压缩加载单元中，通过控制输入到电磁铁吸盘A13中的电流大小进而调节电磁力，被测的复合生物材料试件11通过压紧件安装螺钉A33固定安装在夹紧件A30和上夹具体12之间，上夹具体12与永磁铁A29实为一体，固定安装在滑块31上，在电磁力的作用下沿垂直方向移动，下夹具体10与力传感器9串联。通过上下两侧电磁铁吸盘A13的磁力作用，对复合生物材料试件施加拉伸或压缩载荷，力传感器5的检测部分置于下夹具体10上，检测并输出施加在复合生物材料试件上的预载荷。复合生物材料试件上下端的上、下夹具体都固定在滑块31上，约束并保证复合生物材料试件拉伸或压缩应变将沿着垂直方向。

所述的冲击加载单元包括步进电机B20、光杠B21、丝杠B22、电磁铁吸盘B23、冲击杆24、滑台25、支撑座26、支撑件安装螺钉34、套筒36、永磁铁B38等。所述的冲击杆26安装在套筒36内并可以沿水平方向自由移动，套筒36通过压紧件安装螺钉B37固定在压紧件B35上，压紧件B35通过压紧件安装螺钉B34固定在支撑架26上，电磁铁吸盘B23通过调节螺栓B39固定安装在滑台25上，电磁铁吸盘B23与冲击杆24保持中心重合。滑台25由光杠B21约束并将丝杠B22的旋转运动转动转化为沿垂直方向的直线移动，丝杠B22和步进电机B20通过联轴器19刚性连接，可使滑台可沿垂直方向精准移动。冲击加载单元的核心部件为电磁铁吸盘B23和冲击杆24。冲击杆24由三部分组成，杆头为永久磁铁，用来增益电磁作用，杆身为耐磨材料，杆头制成圆锥状，锥头为圆弧，以此增大冲击应力，圆弧形可以避免因过于尖锐损害试件而带来不必要的实验变量。

所述的原位检测单元包括高速相机15、丝杠滑台模组5、回转平台6、齿轮17、伺服电机16、齿圈8、圆形底座7等。高速相机15固定在丝杠滑台模组5的滑块4上，利用光杠3约束滑块4的多余自由度，并在与步进电机A1刚性连接的丝杠2驱动下沿垂直方向移动，通过步进电机A1可实现高速相机15检测位置在水平和垂直方向上的微调。将丝杠滑台模组5固定安装在回转平台6上，回转平台6上安装有齿轮17，齿轮17与伺服电机16刚性连接并与安装在圆形底座7上的齿圈8啮合。通过伺服电机16驱动，高速相机15和丝杠滑台模组5可实现绕圆形底座7中心旋转，以寻找最佳的检测角度。原位检测单元的核心部件是高速相机15，由于冲击实验是在瞬间完成，利用高速相机15可捕捉试件的受力变形和裂纹萌生、扩展情况，实现原位检测。还可以利用高速相机15计算冲击瞬间的速度进而得出冲击杆的动能。

所述的复合生物材料试件，为实现真实生物材料的受冲击载荷时的材料力学性能测试，对复合生物材料试件进行改进设计。取标准尺寸的生物骨材料45，在其表面覆盖一层人工肌肉44，然后用人工皮肤43包裹，制成复合生物材料试件。试件主体制成类圆柱状，为了方便装夹，将复合生物材料试件两端放入凹槽40，利用骨水泥41封装，制成冲击实验用的复合生物材料试件。

实施例：

参见图1至图5所示，本发明所涉及的生物材料冲击力学性能测试的实验装置，主要由原位检测系统和机械加载装置组成，机械加载装置的整体尺寸为155 mm ×80 mm ×198 mm，实验装置整体尺寸为圆形底座直径为500mm，总高度为384mm，本发明中涉及到的元器件：拉伸-压缩加载单元使用的电磁铁吸盘型号是JNP-25/20，电压为DC24V，吸力为15KG，直径25mm，高度20mm，如果需要可根据实验加载的载荷大小匹配其它型号，冲击加载单元选用的JNP-20/25，电压为DC24V，吸力为7KG，直径20mm，高度15mm，如果需要可根据实验加载的载荷大小匹配其它型号。所选用的电机为42步进电机，型号是42BYGH34 ，电流为1.5A，输出力矩为0.28Nm。使用的力传感器型号是HT-7303M8，量程为2000N，灵敏度为2 ±0.1 mV /V。使用的高速相机型号是M/R/LC110，像素为1280×800，拍摄速率为1630帧/秒。为更好地配合实验的实施，对实验所需的生物材料试件进行设计，也可应用于对其它的生物材料进行实验。本发明的直接作用是为生物材料冲击实验提供实验装置和检测装置。

本发明采用由内至外的安装方式。由拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件组成。拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元分别安装在矩形框架两侧，复合生物材料试件安装在拉伸-加载单元的夹具上，矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框架两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形分布且角度固定。本发明中，利用电磁力作驱动力对复合生物材料试件施加任意载荷比的拉-冲击或压-冲击耦合载荷，利用力传感器检测施加在试件的拉伸或压缩载荷以及电阻应变片检测试件所受的冲击载荷，同时利用高速相机对生物材料样品试件的受力变形和裂纹萌生、扩展等进行原位检测。此外利用生物骨材料、生物材料等通过仿生方法或3D打印技术制成复合生物材料试件，可很好的模拟生物体结构和生物材料在实际环境下所受冲击载荷的力学性能测试。本发明装置结构紧凑，可为生物材料冲击实验提供有效测试工具。两条导轨32垂直安装在矩形框架14内侧，滑块31与导轨32配合形成移动副，上、下夹具体12、10固定安装在滑块31上，其中下夹具体10与力传感器9螺纹连接，力传感器9的另一侧与矩形框架14底座固连，通过压紧件安装螺钉A33和压紧件A30将复合生物材料试件11固定安装在上、下夹具体12、10上，在上夹具体12两端的上下两侧位置上分别安装有永磁铁A29，电磁铁吸盘A13分布在上夹具体12两端，通过调节螺栓A28安装在矩形框架14上，为了更好地发挥电磁力的作用，安装时应保证永磁铁A29与电磁铁吸盘A13中心重合。实验时，将电磁铁吸盘A13通电，则电磁铁吸盘A13和永磁铁A29之间产生的磁力为试件施加拉伸或压缩载荷。

冲击杆24安装在套筒36内并可沿水平方向自由移动以施加冲击载荷，套筒36通过压紧件安装螺钉B37、压紧件B35固定在支撑架26上，套筒36的安装需要保证其中心和复合生物材料试件11中心在同一平面内，支撑架26通过螺钉固定在滑台B25上，电磁铁吸盘A13通过调节螺栓B39安装在滑台B25上，电磁铁吸盘B23的中心与冲击杆24的中心需保持重合。光杠B21对滑台B25起导向作用，使其可平稳地垂直运动，步进电机B20驱动丝杠B22转动并将转矩传递给滑台B25，以此调节冲击加载单元垂直方向上的位置。

将高速相机15安装在相机底座18上，相机底座18与滑台A4固定连接，并调整好观测角度。垂直的丝杠滑台模组5通过螺钉连接在水平安装的滑台A4上，两者呈垂直安装，然后将水平的丝杠滑台模组5固定在回转平台6上，回转平台6一侧安装在圆形底座7中心，另一侧在下方安装有齿轮17，伺服电机16通过联轴器与齿轮17刚性连接，齿轮17与齿圈8啮合，由伺服电机16驱动齿轮绕底座中心转动，以此来调节高速相机15的检测角度。底座外缘通过滑块对支撑起回转平台一侧。

对冲击实验所用的生物材料试件进行设计，取标准尺寸的生物骨材料45，在其外部包裹仿生物体肌肉的人工肌肉44，在人工肌肉外层包裹人工皮肤42，制作成圆柱状试件主体，试件主体两端用骨水泥41封装在凹槽40中，制作成本实验的复合生物材料试件11。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：包括拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件，其中拉伸-压缩加载单元、冲击载荷加载单元、复合生物材料试件集成布置在矩形框架内，矩形框架一侧垂直布置拉伸-压缩加载单元，复合生物材料试件两端的凹槽固定安装在拉伸-压缩加载单元的夹具体上，在矩形框架对立一侧将冲击载荷加载装置水平布置并固定在丝杠滑块上，矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形形式分布且角度固定，高速相机通过丝杠滑块模组可对两自由度平面的位置进行精确调整，此外通过伺服电机驱动原位检测单元中的齿轮可绕圆形底座中心转动以调节检测位置；

所述的拉伸-压缩加载单元是：一对导轨（32）垂直安装在矩形框架（14）内侧，滑块（31）与导轨（32）形成滑动副，上、下夹具体（12、10）垂直分布并固定在滑块（31）上，下夹具体（10）与一侧固定安装在矩形框架（14）上的力传感器（9）固连，上夹具体（12）两端部的上下两侧分别安装有永磁铁A（29）；电磁铁吸盘A（13）通过调节螺栓A（28）和螺母（27）安装在矩形框架（14）上，并与永磁铁A（29）保持中心重合的位置关系；通过调节螺栓A（28）调节电磁铁吸盘A（13）的位置高度以适应不同尺寸的复合生物材料试件；

所述的冲击加载单元是：永磁铁B（38）安装在冲击杆（24）杆尾，冲击杆杆头为圆锥状，冲击杆（24）安装在套筒（36）内并可沿水平方向自由移动，套筒（36）通过支撑件安装螺钉B(37)固定在压紧件B上（35），压紧件B（35）通过压紧件安装螺钉B（34）固定在支撑架（26）上，电磁铁吸盘B（23）通过调节螺栓B（39）固连在滑台B（25）上，冲击杆（24）和电磁铁吸盘B（23）保持中心重合安装；滑台B（25）由光杠B（21）约束并仅沿垂直方向移动，丝杆B（22）通过联轴器（19）与步进电机B（20）连接，步进电机B（20）驱动丝杠B（22）将旋转运动转化为滑台B（25）垂直方向上的移动。

2.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：所述的原位检测单元是：高速相机（15）固定在相机底座（18）上，相机底座（18）通过螺钉固连在滑台A（4）上，一对丝杠滑块模组（5）相互垂直安装并固定在回转平台（6）上，回转平台（6）一端与圆形底座（7）形成转动副，伺服电机（16）与齿轮（17）刚性连接并共同安装在回转平台（6）上，齿轮（17）与安装在圆形底座（7）上的齿圈（8）相互啮合，通过伺服电机（16）驱动回转平台（6）绕圆形底座的中心回转，以此调节原位检测单元中高速相机的观测角度。

3.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：所述的复合生物材料试件是：生物骨材料（45）外部通过包裹人工肌肉（44），在人工肌肉外包裹人工皮肤（42），制成圆柱状的试件主体，在试件主体表层中部嵌有电阻应变片（43）以检测所受的冲击载荷，试件主体两端用骨水泥（41）封装在凹槽（40）中，制成冲击实验的复合生物材料试件（11）。

4.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：利用电磁力作驱动力为复合生物材料试件（11）施加拉伸、压缩载荷，上夹具体（12）两端的上下侧安装有永磁铁A（29），在永磁铁A（29）上下两侧，分别安装两对电磁铁吸盘A（13），并且电磁铁吸盘A（13）和永磁铁A（29）保持中心重合的方式安装，实验时利用电磁铁吸盘A（13）与永磁铁A（29）之间的强相互作用力作驱动力，可对复合生物材料试件（11）施加大小可调的拉伸、压缩载荷或交变载荷，以模拟不同工作环境或工况中的拉伸或压缩载荷；复合生物材料试件（11）两端的凹槽（40）固定安装在上、下夹具体（12、10）上并由压紧件A（30）夹紧固定，在导轨（32）的引导下，复合生物材料试件（11）沿垂直方向拉伸或压缩。

5.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：利用电磁力作驱动力为复合生物材料试件（11）施加冲击载荷，冲击杆（24）和套筒（36）形成移动副并在其引导下保持确定的冲击方向，冲击杆杆尾安装有永磁铁B（38），冲击杆杆头制成圆锥形状以增大冲击应力，电磁铁吸盘B（23）安装在滑台B（25）上，并与冲击杆（24）保持中心重合的位置关系，通过对电磁铁吸盘B（23）接通大小可调的电流来控制电磁力的强弱，从而为复合生物材料试件（11）施加可调节的不同程度大小的冲击载荷，通过与拉伸压缩单元产生的大小可调的静载荷相耦合，可实现对复合生物材料试件任意载荷比的动-静态耦合载荷加载功能。

6.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：利用原位检测单元中的两架高速相机（15）与复合生物材料试件（11）呈三角形形式分布并对其受力变形和裂纹萌生、发展过程进行原位检测，两架高速相机（15）分别安装在机械加载装置的两侧并与其呈固定角度分布，高速相机（15）通过丝杠滑台模组（5）在双自由度平面上进行位置调节，丝杠滑台模组（5）固定安装在回转平台（6）上，伺服电机（16）与安装在回转平台（6）底部的齿轮（17）刚性连接，齿轮（17）与安装在圆形底座（7）上的齿圈（8）啮合，利用伺服电机（16）驱动原位检测单元绕底座中心旋转可调节高速相机（15）与复合生物材料试件（11）之间的夹角。