CN111650041B - 一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法 - Google Patents

一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法 Download PDF

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Abstract

一种股骨静态压缩与压‑压疲劳试验方法，涉及一种股骨试验方法。启动疲劳试验机，在两个夹头之间装配试验夹具，试验夹具具有多自由度的特性，股骨完全放入试验夹具中，通过电脑端控制下夹头向上运动，对股骨施加预载，进行静态压缩试验则调整为静态压缩试验程序，设定好力的加载速度及加载终止条件，进行压‑压疲劳试验则调整为压‑压疲劳试验程序，设定好下夹头的振幅和振动频率，同时设定好疲劳试验机的加载终止条件，启动程序，开始试验，并记录试验数据，然后将疲劳试验机的力卸载，调整股骨的倾斜角度进行重复试验。从而可以从不同的方向对股骨进行试验，更全面地探究股骨的力学性能。

Description

一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法
技术领域
本发明涉及一种股骨试验方法，尤其是一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，属于股骨力学试验技术领域。
背景技术
近年来，医工交叉逐渐成为科研工作者关注的热点问题，对于固体力学领域，与医学和生物方面的联系更加密切。生物力学成为生物和固体力学领域研究的热点问题，在生物力学领域，对于股骨的研究也越来越多。
目前针对股骨力学性能测试的试验方法还比较少，且只能借助现有的试验夹具对股骨进行单方向的压缩，无法探究股骨多方向的力学性能。另一方面，现有的股骨试验夹具只能进行静态压缩试验测试股骨的静态力学性能，而无法进行压-压疲劳试验测试股骨的疲劳力学性能。因此，提供一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，从而能更全面地探究股骨的力学性能，对于骨生物力学的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，由于试验夹具具有多自由度的特性，可以从不同的方向对股骨进行静态和疲劳试验，从而更全面地探究股骨的力学性能，对于骨生物力学的发展具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，所用的试验装置为疲劳试验机，所述疲劳试验机包括支撑台以及可通过控制按钮控制在所述支撑台上方竖向移动的横梁，所述横梁下方及支撑台上表面分别对应安装有夹头，疲劳试验机连接有电脑端，所述电脑端内嵌有静态压缩试验程序和压-压疲劳试验程序，可控制下方的所述夹头向上运动施加预载，所述试验方法包括以下步骤：
步骤一：启动疲劳试验机，调节所述控制按钮使横梁上升至安装位置，之后锁定横梁；
步骤二：在两个夹头之间装配试验夹具，所述试验夹具包括上夹持端与下夹持端，将所述下夹持端通过下方的夹头夹紧固定，下夹持端顶部与球形铰头连接件底端采用球铰连接，所述球形铰头连接件顶端固定有下卡槽，所述下卡槽设有多个紧固螺钉用于对股骨底部紧固定位，下夹持端、球形铰头连接件及下卡槽组成下夹具，将所述上夹持端通过上方的夹头夹紧固定，上夹持端底部固定有上滑块，所述上滑块底部水平滑动安装有中部滑块，所述中部滑块底部水平滑动安装有上夹具连接件，且所述中部滑块与所述上夹具连接件的滑动方向垂直设置，上夹具连接件底部可拆卸固定有上卡槽，所述上卡槽底部设有股骨卡槽用于对股骨顶端卡接配合，上夹持端、上滑块、中部滑块、上夹具连接件及上卡槽组成上夹具；
步骤三：将股骨底部放入下卡槽中，再一次通过控制按钮调节横梁的高度，使股骨能够完全放入试验夹具中，同时股骨顶端与上卡槽相接触；
步骤四：将股骨底部在下卡槽中进行调整然后拧紧所述紧固螺钉将股骨固定在下卡槽中；
步骤五：调整中部滑块和上夹具连接件的位置，保证股骨顶端能与上卡槽的股骨卡槽紧密配合；
步骤六：通过电脑端控制下方的夹头向上运动，对股骨施加预载；
步骤七：若进行静态压缩试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为静态压缩试验程序，设定好力的加载速度及加载终止条件，若进行压-压疲劳试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为压-压疲劳试验程序，设定好下方的夹头的振幅和振动频率，同时设定好疲劳试验机的加载终止条件，然后启动静态压缩试验程序或压-压疲劳试验程序，开始试验；
步骤八：在试验结束后记录试验数据；
步骤九：通过电脑端将疲劳试验机的力卸载，将紧固螺钉拧松，调整股骨的倾斜角度，然后将紧固螺钉拧紧；
步骤十：重复步骤五至步骤八，从不同的方向对股骨进行静态压缩试验或压-压疲劳试验，探究力学性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的试验夹具具有多自由度的特性，通过中部滑块、上夹具连接件和球形铰头连接件，能够调节上卡槽与下卡槽的位置，可以从不同的方向对股骨进行静态和疲劳试验，从而更全面地探究股骨的力学性能，对于骨生物力学的发展具有重要意义。
附图说明
图1是本发明使用疲劳试验机进行试验时的整体结构轴测图；
图2是本发明的试验夹具的整体结构轴测图；
图3是图2的爆炸图；
图4是本发明的试验夹具的上夹具的轴测图；
图5是本发明的试验夹具的下夹具的轴测图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图5所示，本发明公开了一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，受到国家自然科学基金(项目批准号：11772105)的支持，所用的试验装置为疲劳试验机，所述疲劳试验机包括支撑台30以及可通过控制按钮32控制在所述支撑台30上方竖向移动的横梁26，所述横梁26下方及支撑台30上表面分别对应安装有夹头33，疲劳试验机连接有电脑端，所述电脑端内嵌有静态压缩试验程序和压-压疲劳试验程序，可控制下方的所述夹头33向上运动施加预载，参照图1所示，疲劳试验机型号为：MTS 370-10，结构为：支撑台30上表面两侧固定两根立柱27，所述两根立柱27顶端通过顶梁29连接固定，所述顶梁29与支撑台30之间位于两根立柱27内侧固定两根竖向导杆28，所述两根竖向导杆28上滑动安装有横梁26，所述横梁26下方以及支撑台30上表面分别对应安装有夹头33，支撑台30上设有急停按钮31和控制按钮32，通过所述控制按钮32可控制横梁26竖向移动，疲劳试验机连接有电脑端，所述电脑端设有静态压缩试验程序和压-压疲劳试验程序，可控制下方的所述夹头33向上运动施加预载，通过所述急停按钮31可控制疲劳试验机停止实现紧急制动，所述试验方法包括以下步骤：
步骤一：启动疲劳试验机，调节所述控制按钮32使横梁26上升至安装位置，之后锁定横梁26；
步骤二：在两个夹头33之间装配试验夹具，所述试验夹具包括上夹持端1与下夹持端16，将所述下夹持端16通过下方的夹头33夹紧固定，下夹持端16顶部与球形铰头连接件11底端采用球铰连接，所述球形铰头连接件11顶端固定有下卡槽9，所述下卡槽9设有多个紧固螺钉10用于对股骨8底部紧固定位，下夹持端16、球形铰头连接件11及下卡槽9组成下夹具，将所述上夹持端1通过上方的夹头33夹紧固定，上夹持端1底部固定有上滑块2，所述上滑块2底部水平滑动安装有中部滑块3，所述中部滑块3底部水平滑动安装有上夹具连接件5，且所述中部滑块3与所述上夹具连接件5的滑动方向垂直设置，上夹具连接件5底部可拆卸固定有上卡槽7，所述上卡槽7底部设有股骨卡槽用于对股骨8顶端卡接配合，上夹持端1、上滑块2、中部滑块3、上夹具连接件5及上卡槽7组成上夹具；
步骤三：将股骨8底部放入下卡槽9中，再一次通过控制按钮32调节横梁26的高度，使股骨8能够完全放入试验夹具中，同时股骨8顶端与上卡槽7相接触；
步骤四：将股骨8底部在下卡槽9中进行调整然后拧紧所述紧固螺钉10将股骨8固定在下卡槽9中；
步骤五：调整中部滑块3和上夹具连接件5的位置，保证股骨8顶端能与上卡槽7的股骨卡槽紧密配合；
步骤六：通过电脑端控制下方的夹头33向上运动，对股骨8施加预载；
步骤七：若进行静态压缩试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为静态压缩试验程序，设定好力的加载速度及加载终止条件，若进行压-压疲劳试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为压-压疲劳试验程序，设定好下方的夹头33的振幅和振动频率，同时设定好疲劳试验机的加载终止条件，然后启动静态压缩试验程序或压-压疲劳试验程序，开始试验；
静态压缩试验时上方的夹头33固定，下方的夹头33按照设定好的加载速度由初始位置缓慢向上运动，从而实现对股骨8的静态压缩试验，下方的夹头33上升至一定距离后触发加载终止条件，试验停止；
压-压疲劳试验时上方的夹头33固定，下方的夹头33按照设定好的振幅和振动频率进行上下运动，在整个试验过程中保证股骨8始终处于受压状态，从而实现对股骨8的压-压疲劳试验，当疲劳试验机的压-压疲劳试验周期达到预先设定好的终止条件时，试验停止；
步骤八：在试验结束后记录试验数据；
步骤九：通过电脑端将疲劳试验机的力卸载，将紧固螺钉10拧松，调整股骨8的倾斜角度，然后将紧固螺钉10拧紧；
步骤十：重复步骤五至步骤八，从不同的方向对股骨8进行静态压缩试验或压-压疲劳试验，探究力学性能。
参照图2～图5所示，试验夹具包括上夹持端1、上滑块2、中部滑块3、上夹具连接件5、上卡槽7、下卡槽9、球形铰头连接件11、下夹持端16、两组光杆导轨4以及多个紧固螺钉10，所述上夹持端1底部固定有上滑块2，所述上滑块2底部通过一组光杆导轨4水平滑动安装有中部滑块3，所述中部滑块3底部通过另一组光杆导轨4水平滑动安装有上夹具连接件5，且所述两组光杆导轨4的方向垂直设置，具体参照图3、图4所示，上滑块2底部、中部滑块3顶部和底部、上夹具连接件5顶部分别水平并列设有两个导轨通孔18，光杆导轨4插装在相应导轨通孔18之间，中部滑块3和上夹具连接件5可沿着光杆导轨4进行滑动，从而调整上卡槽7与股骨8之间的接触角，所述上夹具连接件5底部通过上卡槽固定螺钉6可拆卸固定有上卡槽7，所述上卡槽7底部设有股骨卡槽用于对股骨8顶端卡接配合，上卡槽7及其底部的股骨卡槽是根据股骨8顶端的形状进行3D打印而成，当进行不同形状的股骨8静态与疲劳试验时，仅需要更换不同的上卡槽7即可，所述下卡槽9为顶部开口底部封闭的圆筒状构件并设置于上卡槽7下方，其侧壁开设有多个径向螺纹孔，所述多个紧固螺钉10一一配合螺接在所述多个径向螺纹孔内用于对股骨8底部紧固定位，所述球形铰头连接件11顶端与下卡槽9底部连接固定，所述下夹持端16顶部与球形铰头连接件11底端球铰连接，具体参照图3、图5所示，下夹持端16顶部固定有铰头下盖15，所述铰头下盖15上端面设有球形铰孔并容纳球形铰头12，铰头下盖15上通过上下盖固定螺钉13固定铰头上盖14且其中心开设有球铰接孔，球形铰头连接件11底端穿过所述铰头上盖14的球铰接孔与所述球形铰头12连接固定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，所用的试验装置为疲劳试验机，所述疲劳试验机包括支撑台(30)以及可通过控制按钮(32)控制在所述支撑台(30)上方竖向移动的横梁(26)，所述横梁(26)下方及支撑台(30)上表面分别对应安装有夹头(33)，疲劳试验机连接有电脑端，所述电脑端内嵌有静态压缩试验程序和压-压疲劳试验程序，可控制下方的所述夹头(33)向上运动施加预载，其特征在于：所述试验方法包括以下步骤：
步骤一：启动疲劳试验机，调节所述控制按钮(32)使横梁(26)上升至安装位置，之后锁定横梁(26)；
步骤二：在两个夹头(33)之间装配试验夹具，所述试验夹具包括上夹持端(1)与下夹持端(16)，将所述下夹持端(16)通过下方的夹头(33)夹紧固定，下夹持端(16)顶部与球形铰头连接件(11)底端采用球铰连接，所述球形铰头连接件(11)顶端固定有下卡槽(9)，所述下卡槽(9)设有多个紧固螺钉(10)用于对股骨(8)底部紧固定位，下夹持端(16)、球形铰头连接件(11)及下卡槽(9)组成下夹具，将所述上夹持端(1)通过上方的夹头(33)夹紧固定，上夹持端(1)底部固定有上滑块(2)，所述上滑块(2)底部水平滑动安装有中部滑块(3)，所述中部滑块(3)底部水平滑动安装有上夹具连接件(5)，且所述中部滑块(3)与所述上夹具连接件(5)的滑动方向垂直设置，上夹具连接件(5)底部可拆卸固定有上卡槽(7)，所述上卡槽(7)底部设有股骨卡槽用于对股骨(8)顶端卡接配合，上夹持端(1)、上滑块(2)、中部滑块(3)、上夹具连接件(5)及上卡槽(7)组成上夹具；
步骤三：将股骨(8)底部放入下卡槽(9)中，再一次通过控制按钮(32)调节横梁(26)的高度，使股骨(8)能够完全放入试验夹具中，同时股骨(8)顶端与上卡槽(7)相接触；
步骤四：将股骨(8)底部在下卡槽(9)中进行调整然后拧紧所述紧固螺钉(10)将股骨(8)固定在下卡槽(9)中；
步骤五：调整中部滑块(3)和上夹具连接件(5)的位置，保证股骨(8)顶端能与上卡槽(7)的股骨卡槽紧密配合；
步骤六：通过电脑端控制下方的夹头(33)向上运动，对股骨(8)施加预载；
步骤七：若进行静态压缩试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为静态压缩试验程序，设定好力的加载速度及加载终止条件，若进行压-压疲劳试验则在电脑端将疲劳试验机的程序调整为压-压疲劳试验程序，设定好下方的夹头(33)的振幅和振动频率，同时设定好疲劳试验机的加载终止条件，然后启动静态压缩试验程序或压-压疲劳试验程序，开始试验；
步骤八：在试验结束后记录试验数据；
步骤九：通过电脑端将疲劳试验机的力卸载，将紧固螺钉(10)拧松，调整股骨(8)的倾斜角度，然后将紧固螺钉(10)拧紧；
步骤十：重复步骤五至步骤八，从不同的方向对股骨(8)进行静态压缩试验或压-压疲劳试验，探究力学性能。
2.根据权利要求1所述的一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，其特征在于：所述试验夹具包括上夹持端(1)、上滑块(2)、中部滑块(3)、上夹具连接件(5)、上卡槽(7)、下卡槽(9)、球形铰头连接件(11)、下夹持端(16)、两组光杆导轨(4)以及多个紧固螺钉(10)，所述上夹持端(1)底部固定有上滑块(2)，所述上滑块(2)底部通过一组光杆导轨(4)水平滑动安装有中部滑块(3)，所述中部滑块(3)底部通过另一组光杆导轨(4)水平滑动安装有上夹具连接件(5)，且所述两组光杆导轨(4)的方向垂直设置，所述上夹具连接件(5)底部可拆卸固定有上卡槽(7)，所述上卡槽(7)底部设有股骨卡槽用于对股骨(8)顶端卡接配合，所述下卡槽(9)为顶部开口底部封闭的圆筒状构件并设置于上卡槽(7)下方，其侧壁开设有多个径向螺纹孔，所述多个紧固螺钉(10)一一配合螺接在所述多个径向螺纹孔内用于对股骨(8)底部紧固定位，所述球形铰头连接件(11)顶端与下卡槽(9)底部连接固定，所述下夹持端(16)顶部与球形铰头连接件(11)底端球铰连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种股骨静态压缩与压-压疲劳试验方法，其特征在于：所述试验夹具的上卡槽(7)及其底部的股骨卡槽根据股骨(8)顶端的形状进行3D打印而成。
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