CN112051164B - 测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法。该装置包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置、以及高速摄像机。穿刺针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具或者特种安全装备评价测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，属于材料性能测试技术领域。
背景技术
不管是从事高危行业的的人群，还是普通公众都有可能在日常生活中面临锐器或者钝器的伤害。比如刀具跌落在脚上，这需要鞋子的制作材料具有较好的防刺穿或切割性能。但是材料在动态载荷(使材料产生较大的应变速率)下的性能和变形行为与准静态下有很大区别。随着加载速率的增加，材料的强度和非弹性变形都可能会增加，这使得研究材料的动态穿刺性能具有重要意义。材料的断裂能是评价防护材料的重要指标，然而由于软物质材料具有自组织行为和非线性响应等复杂特性，现阶段缺乏表征软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法。
发明内容
本发明旨在提供一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具领域或者特种安全领域。
本发明中，从能量的角度出发，发明了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法和装置。针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，从而得出两次实验分别耗散的能量，针体或刀片两次释放在同一高度初始势能相等。由于第二次穿刺切割中没有断裂行为的发生只有摩擦损耗，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。
本发明提供了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置以及高速摄像机。
穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，然后将方形铁块和针整体固定在一定高度，固定高度要求能穿透试样，但不宜太高导致下落轨迹偏离竖直方向，针尖与试样顶部距离应在0.2～1m范围内。固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成；通过外部舵机可控制左右两个手爪在基座表面滑动，使方形铁块夹紧或释放。盛放试样的装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又挖有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过。高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。
进一步地，穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一定高度上，释放该整体使其垂直落下；针垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。
用于穿刺的针体或刀片相对于软材料有足够的刚度，针体和刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形，针体为实心的柱形不锈钢针，刀片为未开刃的SK2刚性刀片。刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。
所述高速摄像机为FASTCAMSA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。
待测软组织试件如但不限于水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管，肝脏中的一种。所述试件为一个软材料的薄圆形试件。
穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动。
本发明提供了一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的方法，当穿刺工具为柱形针时包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)测量穿刺针体的质量m2,针体横截面周长c，横截面面积s以及针体下端距离试样底部的高度h1；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)穿刺针体通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有针的方形铁块从试样正上方的一定高度释放，释放前针体下端距离试样底部的高度h1，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的针体刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验针体刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有针的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的针体刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验针体刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为圆柱形针体时，将实验所测得数据m1,m2,c,s,t,h1，v1,v2,带入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1针：
本发明提供了一种测试软物质材料在动态切割下断裂能的方法，当穿刺工具为矩形刀片时包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)采用矩形刀片，需要测量刀片的质量m3，宽度a，厚度b以及刀片下端距离试样底部的高度h2；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)将刀片通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有刀片的方形铁块从试样正上方释放，释放前刀片下端距离试样底部的高度为h2，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的刀片刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验刀片刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有刀片的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的刀片刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验刀片刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为矩形刀片，将实验所测得数据m1,m3,a,b,t,h2，v1,v2代入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1刀：
下面以柱形针体为例推导断裂能公式，根据能量守恒定理，穿刺过程中的总能量W0与穿刺断裂能W1和摩擦耗散能W2有下面的平衡方程成立：
W0＝W1+W2 (1)
W0由第一次穿刺过程中的总功S1和断裂横截面积s决定：
记第一次穿刺切割实验高速摄像机拍摄到针体(刀片)刚刚穿透试样底部时时间为t1，针体(刀片)继续穿刺一小段位移d1后此时显示的时间为t2，则：
摩擦耗散能W2由第二次穿刺过程中的摩擦功S2，试样厚度t和针体横截面周长c决定：
记第二次穿刺切割实验高速摄像机拍摄到针体(刀片)刚刚穿透试样底部时时间为t3，针体(刀片)继续穿刺一小段位移d2后此时显示的时间为t4，则：
由式(1)-(7)得断裂能W1针可以表示为：
本发明的有益效果：
(1)该方法简单有效而且易操作，并且能够测试动态穿刺或切割下软物质材料的断裂能；
(2)在生物软组织材料及工程软物质材料领域具有潜在的应用价值并也望推广于生物医学工程应用领域；
(3)该测试方法对于防护材料研发和评价具有一定意义，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具领域或者特种安全领域。
附图说明
图1为发明装置的摆放示意图；
图2为计算第一次穿刺针体实验穿透试样底部时速度v1的示意图。
图3为盛放试样装置的示意图。
图4为不同形状刀片示意图。
图中1-夹持器，2-均质方形铁块，3-穿刺针体，4-盛放试样装置，5-高速摄像机，6-试样。t1时刻针体刚刚穿透试样底部，针体继续穿刺一小段位移d1后此时显示的时间为t2。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
图1所示为一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的装置，包括均质方形铁块2，用来固定均质方形铁块2的夹持器1，穿刺针体3，用来盛放试样装置4，高速摄像机5。均质方形铁块2和穿刺针体3整体固定使穿刺针体3的底端与试样6顶部距离在0.2～1m范围内；所述固定均质方形铁块的夹持器1是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成；通过外部舵机可控制左右两个手爪在基座表面滑动，使方形铁块夹紧或释放；所述盛放试样装置4由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又挖有圆形凹槽(见附图3)，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体3穿过；穿刺针体3固定在均质方形铁块2表面，试样6放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动；高速摄像机5位于盛放试样装置4的侧面且与其保持同一水平高度。
将穿刺针体3固定在均质方形铁块2上，再利用夹持器1将铁块和针整体固定在一定高度，固定高度要求能穿透试样，但不宜太高导致下落轨迹偏离竖直方向。针尖与试样底部距离应在0.2～1m范围内。试样盛放在盛放试样装置4表面的凹槽内，将高速摄像机5摆放在盛放试样装置4的侧面，使其与盛放试样装置4位于同一水平高度，以便记录穿刺的整个过程。所述高速摄像机为FASTCAMSA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。
穿刺针体可替换成刀片，要求用于穿刺的针体或刀片相对于软材料有足够的刚度，针体和刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形，可使用材质为SK2的刚性针或刀片。刀片采用未开刃的普通美工刀刀片，不同形状的刀片在于刀片的尖端形状不同。刀片尖端形状可以是矩形，直角三角形，梯形或等腰三角形(见附图4)。
穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一定高度上，释放该整体使其垂直落下；针体(刀片)垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心(见图2所示)。
待测软组织试件如但不限于水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管，肝脏中的一种。所述试件为一个软材料的薄圆形试件。
穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动。
一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的装置，当穿刺工具为柱形针时包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)测量穿刺针体的质量m2,针体横截面周长c，横截面面积s以及针体下端距离试样底部的高度h1；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)穿刺针体通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有针的方形铁块从试样正上方的一定高度释放，释放前针体下端距离试样底部的高度h1，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的针体刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验针体刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有针的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的针体刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验针体刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为柱形针体时，将实验所测得数据m1,m2,c,s,t,h1，v1,v2,带入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1针：
一种测试软物质材料在动态切割下断裂能的方法，当切割工具为矩形刀片时包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)采用矩形刀片，需要测量刀片的质量m3，宽度a，厚度b以及刀片下端距离试样底部的高度h2；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)将刀片通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有刀片的方形铁块从试样正上方释放，释放前刀片下端距离试样底部的高度为h2，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的刀片刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验刀片刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有刀片的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的刀片刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验刀片刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为矩形刀片，将实验所测得数据m1,m3,a,b,t,h2，v1,v2代入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1刀：
下面通过具体实施例来说明本发明的测试过程：
实施例一：肝脏的动态穿刺断裂能测试
将由猪肝制成的试样放置在承载装置上，试样厚度t＝0.002m。将铁块和针整体固定在试样中心的垂直上方，针体下端(靠近地面)距离试样底部的高度h1＝0.4m。铁块质量m1＝0.3kg，针体质量m2＝0.002kg，针体直径为1mm。将高速摄像机摆放在试样侧面，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024，铁块释放瞬间高速摄像机开始拍摄。
表1.肝脏材料的动态穿刺断裂能测试
| 次数 | c(m) | s(m2) | v1(m/s) | v2(m/s) | S1(J) | S2(J) | W1(J/m2) |
| 1 | 0.00314 | 7.85×10-7 | 2.69 | 2.74 | 0.0459 | 0.0252 | 54458.59 |
| 2 | 0.00314 | 7.85×10-7 | 2.70 | 2.75 | 0.0417 | 0.0210 | 49777.07 |
| 3 | 0.00314 | 7.85×10-7 | 2.69 | 2.73 | 0.0459 | 0.0293 | 53805.73 |
| 4 | 0.00314 | 7.85×10-7 | 2.71 | 2.75 | 0.0376 | 0.0210 | 44554.14 |
| 5 | 0.00314 | 7.85×10-7 | 2.70 | 2.74 | 0.0417 | 0.0252 | 49108.28 |
直径为1mm的钢针穿刺厚度为2mm的猪肝脏，得到的总断裂能W1为：
实施例二：硅橡胶的动态穿刺断裂能测试
将由硅橡胶制成的试样放置在承载装置上，试样厚度t＝0.002m。将铁块和矩形刀片整体固定在试样中心的垂直上方，刀片下端(靠近地面)距离试样底部的高度h1＝0.4m。铁块质量m1＝0.3kg，刀片质量m3＝0.012kg，刀片宽a＝0.01m，厚度b＝0.0008m。将高速摄像机摆放在试样侧面，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024，铁块释放瞬间高速摄像机开始拍摄。
表2.硅橡胶的动态穿刺断裂能测试
| 次数 | a(m) | b(m) | v1(m/s) | v2(m/s) | S1(J) | S2(J) | W1(J/m2) |
| 1 | 0.01 | 0.0008 | 2.58 | 2.64 | 0.1846 | 0.1358 | 19931.48 |
| 2 | 0.01 | 0.0008 | 2.60 | 2.65 | 0.1685 | 0.1275 | 18111.11 |
| 3 | 0.01 | 0.0008 | 2.61 | 2.64 | 0.1604 | 0.1358 | 16906.48 |
| 4 | 0.01 | 0.0008 | 2.60 | 2.63 | 0.1685 | 0.1440 | 17729.20 |
| 5 | 0.01 | 0.0008 | 2.59 | 2.63 | 0.1766 | 0.1440 | 18741.67 |
宽a＝0.01m，厚度b＝0.0008m的矩形刀片穿刺厚度为0.002m的硅橡胶，得到的总断裂能W1为：
实施例三：水凝胶的动态穿刺断裂能测试
将由水凝胶制成的试样放置在承载装置上，试样厚度t＝0.002m。将铁块和矩形刀片整体固定在试样中心的垂直上方，刀片下端(靠近地面)距离试样底部的高度h1＝0.4m。铁块质量m1＝0.3kg，刀片质量m3＝0.012kg，刀片宽a＝0.01m，厚度b＝0.0008m。将高速摄像机摆放在试样侧面，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024，铁块释放瞬间高速摄像机开始拍摄。
表3.水凝胶的动态穿刺断裂能测试
| 次数 | a(m) | b(m) | v1(m/s) | v2(m/s) | S1(J) | S2(J) | W1(J/m2) |
| 1 | 0.01 | 0.0008 | 2.63 | 2.68 | 0.1440 | 0.1026 | 15625.00 |
| 2 | 0.01 | 0.0008 | 2.62 | 2.69 | 0.1522 | 0.0942 | 16844.44 |
| 3 | 0.01 | 0.0008 | 2.63 | 2.69 | 0.1440 | 0.1358 | 14856.48 |
| 4 | 0.01 | 0.0008 | 2.61 | 2.67 | 0.1604 | 0.1109 | 17482.87 |
| 5 | 0.01 | 0.0008 | 2.62 | 2.68 | 0.1522 | 0.1026 | 16650.00 |
宽a＝0.01m，厚度b＝0.0008m的矩形刀片穿刺厚度为0.002m的水凝胶，得到的总断裂能W1为：
Claims (7)
1.一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：该方法采用一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，所述装置包括均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样装置和高速摄像机，穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，穿刺针体或刀片和均质方形铁块固定使穿刺针体或刀片的底端与试样顶部距离在0.2～1m范围内；所述固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成，通过外部舵机控制左右两个手爪在基座表面滑动，使均质方形铁块夹紧或释放；所述盛放试样装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又设有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过；穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动；高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度；
采用上述装置测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的方法，穿刺工具为柱形针时，包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)测量穿刺针体的质量m2,针体横截面周长c，横截面面积s以及针体下端距离试样底部的高度h1；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)穿刺针体通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有针的方形铁块从试样正上方释放，释放前针体下端距离试样底部的高度h1，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄；利用高速摄像机拍摄的针体刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验针体刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有针的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的针体刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验针体刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为圆柱形针体时，将实验所测得数据m1,m2,c,s,t,h1，v1,v2,带入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1针：
采用上述装置测试软物质材料在动态切割下断裂能的方法，穿刺工具为矩形刀片时，包括以下步骤：
(1)测量均质方形铁块的质量m1；
(2)采用矩形刀片，需要测量刀片的质量m3，宽度a，厚度b以及刀片下端距离试样底部的高度h2；
(3)测量圆形试样的厚度t；
(4)将刀片通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有刀片的方形铁块从试样正上方释放，释放前刀片下端距离试样底部的高度为h2，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄；利用高速摄像机拍摄的刀片刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验刀片刚刚穿透试样底部的速度为v1；
(5)将粘有刀片的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的刀片刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验刀片刚穿透试样底部时的速度为v2；
(6)穿刺工具为矩形刀片，将实验所测得数据m1,m3,a,b,t,h2，v1,v2代入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1刀：
2.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一起，释放该整体使其垂直落下；穿刺针体或刀片垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。
3.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：所述穿刺针体或刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形；所述针体为实心的柱形不锈钢针；所述刀片为未开刃的SK2刚性刀片。
4.根据权利要求3所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：所述刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。
5.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：所述试样为待测软组织试样，形状为薄圆形，材料为水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管、肝脏中的一种。
6.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面。
7.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法，其特征在于：所述高速摄像机为FASTCAM SA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。
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