肌肉類軟組織動態(tài)力學(xué)性能研究.pdf

1、人體組織和防彈衣之類人體防護(hù)系統(tǒng)中的軟材料在使用中不可避免會承受沖擊載荷。為了設(shè)計用于抵御來自不同方向飛來的重物利器損害的人體防護(hù)系統(tǒng)，必須對其防護(hù)能力予以準(zhǔn)確的模擬評估，并能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這種模擬評估和優(yōu)化設(shè)計要求了解所有相關(guān)材料的動態(tài)力學(xué)性能。這些材料既包括人體組織生物材料，又包括制備人體防護(hù)系統(tǒng)的軟材料。然而，與金屬、陶瓷等工程裝甲材料相比，人們對這些軟材料、尤其是人體組織生物材料的動態(tài)力學(xué)性能了解甚少，這主要是因為軟組織材料在沖

2、擊加載條件下的動態(tài)性能測試難度較大。
　　 鑒于以上情況，本研究以實驗研究為主，提出了一套能準(zhǔn)確、可靠測定這些生物材料動態(tài)力學(xué)性能的霍普金森壓桿(SHPB)和拉桿(SHTB)實驗技術(shù)，成功的獲得了肌肉材料沿纖維方向和垂直纖維方向的動態(tài)壓縮和拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，并且發(fā)展了能夠描述肌肉材料在很寬應(yīng)變率范圍內(nèi)力學(xué)性能的橫向同性超粘彈性本構(gòu)模型。
　　 本文首先針對霍普金森壓桿(SHPB)和拉桿(SHTB)進(jìn)行軟材料實驗室存在的透

3、射信號小，應(yīng)力均勻難以達(dá)到等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。針對透射信號小的問題，可采用選用廣義波阻抗低的桿件和高靈敏度傳感器的方法。低波阻抗的粘彈性桿在提高透射信號上具有很大的優(yōu)勢，但是應(yīng)力波在粘彈性桿中傳播會發(fā)生彌散和衰減，通過DFT算法編寫了計算粘彈性桿波傳播系數(shù)的程序，并由實驗和程序計算得到了尼龍桿的衰減系數(shù)和相速度，通過驗證發(fā)現(xiàn)該程序在修正彌散和衰減效應(yīng)問題上結(jié)果可信。半導(dǎo)體應(yīng)變片和石英壓電傳感器在檢測微弱信號方面發(fā)揮著重大作用，尤其是

4、石英壓電傳感器，不但檢測微弱信號的能力很強(qiáng)，還可用于檢測試樣的應(yīng)力均勻性，在SHPB實驗中占據(jù)重要地位。傳感器在使用中會存在一些問題，如各類傳感器的靈敏度系數(shù)標(biāo)定、半導(dǎo)體應(yīng)變片的非線性及石英片檢測應(yīng)力均勻時慣性力信號的干擾，本文對這些問題都進(jìn)行了討論，并提出了解決辦法。
　　 試樣的應(yīng)力均勻條件是決定試樣結(jié)果是否可靠的一個必要條件，本文從量綱分析出發(fā)，利用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了五個無量綱β，θ/τs，Eα/Es，

5、tr/τs，vr/Cs對粘彈性試樣應(yīng)力和應(yīng)變均勻性的影響。發(fā)現(xiàn)2τs升時的梯形波加載最利于低波阻抗比的粘彈性試樣的應(yīng)力和應(yīng)變均勻。對于某一確定的材料，2τs升時的梯形波加載下，β越小，θ/τs越大，Eα/Es越大，應(yīng)力均勻所需的時間越短，而vr/Cs則存在一個極限值，并且發(fā)現(xiàn)在小于或等于2τs升時的梯形波加載，應(yīng)變較應(yīng)力更易均勻。通過傳感器檢測應(yīng)力的均勻性也可判斷應(yīng)變的均勻性是否滿足。
　　 肌肉軟組織具有一定的生命意義，離體實

6、驗只要盡量模擬正常的生理狀態(tài)才能反映活體組織的性能，文中采用新鮮的生豬豬肉為研究對象，通過合理的保存和加工，摒除了離體組織死后時間對實驗結(jié)果的影響。并利用島津試驗機(jī)和生物材料實驗機(jī)對其進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和拉伸測試。發(fā)現(xiàn)在kreb溶液保存下，死后17小時肌肉力學(xué)性能基本無變化。結(jié)合已有文獻(xiàn)的結(jié)果與本實驗結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)盡管存在一些差異，但是還是有一定的可比性。實驗結(jié)果表明，壓縮時垂直纖維方向的強(qiáng)度比纖維方向要大，而拉伸時則相反，通

7、過纖維向和垂直纖維向壓縮和拉伸的變形特性，對此進(jìn)行了分析。并且對拉伸時斷裂性能也進(jìn)行了分析。
　　 采用改進(jìn)的SHPB和SHTB實驗裝置對豬后腿肌肉進(jìn)行了一系列實驗，得到了高應(yīng)變率下豬后腿肌肉沿纖維方向和垂直纖維方向的壓縮和拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，在很寬的應(yīng)變率范圍，肌肉具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，高應(yīng)變率下的流動應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于準(zhǔn)靜態(tài)下的流動應(yīng)力。而且加載方向也對力學(xué)性能有影響，垂直纖維方向壓縮時強(qiáng)度要高于纖維向壓縮。拉伸時，低應(yīng)變

8、率下，纖維向的拉伸強(qiáng)度要高于垂直于纖維方向，高應(yīng)變率出現(xiàn)了異常：應(yīng)變較小時，垂直于纖維方向的應(yīng)力反而比纖維方向要大，但是當(dāng)變形逐漸增加后，兩方向的強(qiáng)度則無顯著不同，纖維方向流動應(yīng)力有逐漸高于垂直纖維方向的趨勢。
　　 本文首次發(fā)展了一個可用于描述肌肉類軟組織準(zhǔn)靜態(tài)及高應(yīng)變率下力學(xué)性能的橫向同性超粘彈性本構(gòu)模型，并通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出了模型中的材料參數(shù)，擬合的結(jié)果與實驗結(jié)果重復(fù)較好，可為以后進(jìn)行人體數(shù)值模擬提供了肌肉組織的材