豬下肢骨骼的沖擊壓縮試驗研究

李　昕，陳　利，張慶明，張愛法，馬　剛

（北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

豬下肢骨骼的沖擊壓縮試驗研究

李昕，陳利，張慶明，張愛法，馬剛

（北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

水下爆炸或者陸地觸雷爆炸時，人下肢骨骼極易損傷，為研究沖擊載荷作用下股骨、脛骨的動態(tài)力學(xué)性能以及它們不同部位動態(tài)力學(xué)性能的分布規(guī)律，利用分離式Hopkinson壓桿（SHPB）分別對股骨、脛骨的不同部位進(jìn)行不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮實驗。分別得到股骨和脛骨不同部位在不同應(yīng)變率下的壓縮變形情況以及應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)一步得到它們在沖擊壓縮下的抗壓強(qiáng)度。研究表明：股骨，脛骨都對應(yīng)變率具有較大的依賴性；在沖擊壓縮條件下，股骨和脛骨動態(tài)力學(xué)性能都表現(xiàn)出兩端較弱，中部較強(qiáng)的分布規(guī)律，該研究成果對以后提高人體的抗沖擊能力，加強(qiáng)人體沖擊傷的救治與防護(hù)具有一定參考價值。

股骨；脛骨；分離式霍普金森壓桿；沖擊壓縮

0　引　言

骨是一種各向異性、非均質(zhì)的復(fù)合材料，并具有粘彈性性能。在海戰(zhàn)中，艦艇遭受來自水雷、魚雷等水下武器非接觸爆炸作用時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈艦艇沖擊運(yùn)動，尤以垂直向上的沖擊最為嚴(yán)重，會造成艦艇人員沖擊傷，對于站立的艦艇人員來說，主要造成下肢骨骼和軟組織損傷［1-2］。在陸戰(zhàn)中，地雷爆炸對裝甲車中人員造成地雷沖擊損傷，主要表現(xiàn)為粉碎性骨折、肢體離斷等，其損傷程度與下肢骨骼在沖擊壓縮下的力學(xué)性能有密切關(guān)系。因此，研究下肢骨骼在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)具有重要意義。

近年來，分離式霍普金森壓桿（SHPB）技術(shù)開始應(yīng)用于測試骨頭等脆性材料的動態(tài)力學(xué)性能，同一根骨的不同部位，由于功能不同，結(jié)構(gòu)與形狀也不同（如股骨干與股骨頭）。這種“形狀—功能”之間的關(guān)系是了解骨的材料性能及骨的功能的關(guān)鍵。但多數(shù)研究者只是在骨干處截取一定尺寸的立方體或者長方體，沒有保留骨髓，沒有保留骨頭原始的截面形態(tài)，而骨頭無論在形態(tài)結(jié)構(gòu)上或者力學(xué)性能上都是不均勻的，所以已有研究不能很好評估下肢骨真實耐受水平。在本文中，以豬的股骨、脛骨作為研究對象，在試件制備過程中保留骨髓，保留了骨頭的原始截面形態(tài)。利用SHPB分別對股骨的不同部位和脛骨的不同部位進(jìn)行了兩種不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮實驗，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，探討沖擊載荷作用下股骨、脛骨的抗壓強(qiáng)度以及不同部位抗壓強(qiáng)度的分布規(guī)律。

1　試件制作

豬有著人類相當(dāng)?shù)钠べ|(zhì)骨、松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，并且重建機(jī)理也與人類特別相近，在爆炸沖擊下，人體的下肢（包括股骨、脛骨、距骨、腓骨、跟骨）是極易發(fā)生沖擊損傷的部位，所以最終確定使用豬的脛骨、股骨作為實驗材料。為了保證實驗結(jié)果的有效性和重復(fù)性，所選取的股骨、脛骨都是從12個月左右的成年活豬身上取下的新鮮骨頭，并在24h之內(nèi)完成實驗，以保證骨結(jié)構(gòu)中的水分以及鈣等各種成分保存相對完整［3］。首先將骨上肌肉等軟組織去除干凈，然后在車床上進(jìn)行試樣加工，在加工時采用低切削速率和不斷的液體冷卻來防止骨過熱。沿軸向分段取樣［4］，并且保證試樣兩端的平行度和軸線與端面的垂直度，如圖1所示。綜合考慮SHPB實驗過程中試件慣性效應(yīng)、摩擦效應(yīng)和二維效應(yīng)的影響，最終確定所有試樣的厚度均為11mm。股骨、脛骨所制備的試件如圖2所示。

圖1　試樣的制備次序

圖2　股骨，脛骨所制備的試件

2　實驗方法與方案

2.1實驗方法

全部試件在SHPB上進(jìn)行沖擊壓縮實驗，實驗中入射桿和透射桿均采用鋁桿，直徑為37mm、激發(fā)裝置采用氣體驅(qū)動，基于實驗成本以及安全性的考慮，使用的驅(qū)動氣體是氮氣。在實驗中，通過應(yīng)變片對入射波、反射波以及透射波進(jìn)行測量，其中貼在入射桿上的應(yīng)變片為電阻應(yīng)變片，它的靈敏系數(shù)為2；由于透射信號比較小，所以貼在透射桿上的應(yīng)變片為半導(dǎo)體應(yīng)變片，它的靈敏系數(shù)為110。電阻應(yīng)變片距離試件有兩倍子彈長度，這樣可以避免入射波和反射波重疊［5-6］；半導(dǎo)體應(yīng)變片和試件之間的距離與電阻應(yīng)變片和試件的距離一致。這兩組信號經(jīng)放大后由瞬態(tài)波形存儲器記錄。

在測量骨頭動態(tài)力學(xué)性能時，如果SHPB直接加載，應(yīng)力波會因為撞擊產(chǎn)生高頻分量；并且對于骨頭這種脆性材料，需要更長的時間達(dá)到應(yīng)力平衡，而應(yīng)力波上升沿時間較短，難以在這段時間達(dá)到應(yīng)力平衡；因此，為保證加載過程中試件處于均勻受力和恒定應(yīng)變率變形，需要在裝置中加入波形整形器［7-8］。

整形器的材料、尺寸的選擇與試件的材料和所要達(dá)到的應(yīng)變率密切相關(guān)，本文在入射桿撞擊端粘貼了一組整形器，該整形器是由醫(yī)用膠帶和卡紙組成，卡紙的厚度0.075mm，醫(yī)用膠帶為6層。圖3為不加整形器的波形，圖4為加上整形器后的波形。

可以看出，采用整形器以后，原來加載波中由于直接碰撞引起的高頻分量被過濾掉，這樣減少了波在長距離傳播中的彌散失真；同時，入射波的上升前沿變得平緩，上升時間明顯增加，實現(xiàn)恒定應(yīng)變率加載，試件也處于均勻受力狀態(tài)，測試結(jié)果的精確度得到提高。由實驗得到入射波εi、反射波εr和透射波εt，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，可以導(dǎo)出沖擊壓縮載荷作用下試樣的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率隨時間的變化關(guān)系。并且可以通過處理得到試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過曲線進(jìn)而能得到脛骨、股骨不同部位的抗壓強(qiáng)度。

圖3　未加整形器的波形

圖4　加整形器后的波形

2.2實驗方案

為了得到脛骨、股骨不同部位縱向在兩種不同應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能，實驗分別取新鮮的豬脛骨、股骨8根，每一根脛骨可以制備7個試件，脛骨從靠近膝關(guān)節(jié)的一端開始編號，為1#～7#，一共56個脛骨試件，實驗根據(jù)應(yīng)變率分為兩組，應(yīng)變率分別為400 s-1和700 s-1。每一根股骨可以制備6個試件，股骨也從靠近膝關(guān)節(jié)的一端開始編號，為1#～6#，一共48個股骨試件，實驗根據(jù)應(yīng)變率分為兩組，應(yīng)變率分別為400s-1和800s-1。

3　實驗結(jié)果

3.1脛骨不同部位在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能

在實驗過程中，雖然加載條件一致，但很難保證獲得完全一致的應(yīng)變率，所以將應(yīng)變率分為兩個區(qū)間，390～412s-1，679～720s-1。當(dāng)應(yīng)變率在390～412s-1區(qū)間內(nèi)時，在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)試件1#，2#，5#，6#，7#粉碎，如圖5（a）所示。而試件3#、4#只是出現(xiàn)了裂紋，如圖5（b）所示。當(dāng)應(yīng)變率在679～720s-1區(qū)間內(nèi)時，所有的試件都被撞擊粉碎。

圖5　脛骨撞擊實驗結(jié)果

脛骨不同部位的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6、圖7所示。在得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，曲線上升的最高點相當(dāng)于骨骼的強(qiáng)度極限，由此可以得出脛骨不同部位的抗壓強(qiáng)度沿軸向的變化趨勢，如圖8、圖9所示。

圖6　脛骨不同部位在400s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變

圖7　脛骨不同部位在700s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

可以看出，脛骨的抗壓強(qiáng)度沿軸向的分布規(guī)律為：中部強(qiáng)度最大，兩端較小，并且靠近關(guān)節(jié)的一端的強(qiáng)度要小于另一端。在應(yīng)變率為400 s-1時，脛骨抗壓強(qiáng)度最大為157 MPa，當(dāng)應(yīng)變率為700s-1時，抗壓強(qiáng)度最大為229 MPa，所以當(dāng)應(yīng)變率提高時，抗壓強(qiáng)度也有所提高，說明脛骨的力學(xué)性能依賴于應(yīng)變率。

圖8　400s-1應(yīng)變率下脛骨的抗壓強(qiáng)度沿軸向變化

圖9　700s-1應(yīng)變率下脛骨的抗壓強(qiáng)度沿軸向變化

3.2股骨不同部位在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能

在實驗過程中，同樣將應(yīng)變率分為兩個區(qū)間，分別為380～410s-1、790～810s-1。在應(yīng)變率區(qū)間為380～410 s-1時，試件1#，2#，5#，6#被撞擊粉碎，如圖10（a）所示，而試件3#、4#出現(xiàn)裂紋，如圖10（b）所示。在區(qū)間為790～810s-1時，所有的試件都被撞擊粉碎。

圖10　股骨撞擊實驗結(jié)果

股骨不同部位的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11、圖12所示。

圖11　股骨不同部位在400s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12　股骨不同部位在800s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

在得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，曲線上升的最高點相當(dāng)于骨骼的強(qiáng)度極限，由此可以得出股骨不同部位的抗壓強(qiáng)度沿軸向的變化趨勢，如圖13、圖14所示。

圖13　400s-1應(yīng)變率下股骨的抗壓強(qiáng)度沿軸向的變化

可以看出，股骨的力學(xué)性能的分布規(guī)律與脛骨一致，它的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出兩端較弱，中部強(qiáng)的規(guī)律，并且是不對稱分布，靠近關(guān)節(jié)一端的抗壓強(qiáng)度略低于另一端。當(dāng)應(yīng)變率為400s-1時，股骨強(qiáng)度最高為160MPa，當(dāng)應(yīng)變率為800s-1時，強(qiáng)度提高為192MPa?？梢钥闯?，當(dāng)應(yīng)變率提高時，股骨的強(qiáng)度也有所提高，說明股骨的強(qiáng)度特性依賴于應(yīng)變率，即與應(yīng)變率相關(guān)。

圖14　800s-1應(yīng)變率下股骨的抗壓強(qiáng)度沿軸向的變化

4　分析與討論

股骨、脛骨在沖擊載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)沿其軸向呈現(xiàn)出兩端弱、中部強(qiáng)的分布規(guī)律。股骨、脛骨的分布規(guī)律與它們的構(gòu)成有密切關(guān)系，這些長骨的兩端主要是由松質(zhì)骨組成，是強(qiáng)度弱的地方，而中部主要是由致密而堅硬的皮質(zhì)骨組成［9］，因此兩端抗壓強(qiáng)度小于骨干部位。另一方面，股骨、脛骨都是上端（靠近關(guān)節(jié)的一端）膨大［10］、下端細(xì)小，當(dāng)受到壓縮時，兩端比中部更容易變形，所以股骨、脛骨都表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度兩端弱、中部強(qiáng)的規(guī)律。并且，脛骨、股骨的極限強(qiáng)度接近。

5　結(jié)束語

通過一系列豬下肢骨的沖擊壓縮實驗，可以得到以下結(jié)論：1）股骨、脛骨的力學(xué)性能呈現(xiàn)中部強(qiáng)，兩端弱的特點；2）股骨、脛骨抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變率具有明顯的依賴性，即與應(yīng)變率相關(guān)［11］。為了深入研究豬下肢骨在沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)，還需進(jìn)一步的實驗。本文通過豬下肢骨沖擊壓縮實驗的初步研究分析，可以了解到豬下肢骨的基本力學(xué)特性，對研究人體下肢骨有一定的參考作用，針對水下爆炸、陸地觸雷爆炸所造成的損傷事故，可以提出合理的保護(hù)措施。

［1］柯文棋.水下爆炸對艦員的損傷及其防護(hù)［J］.國外海軍軍事醫(yī)學(xué)參考資料，1980（22）：75-78.

［2］柯文棋，樂秀鴻，楊軍，等.水雷爆炸對艦船上動物沖擊損傷的實驗觀察與評價［J］.中華航海醫(yī)學(xué)與高氣壓醫(yī)學(xué)雜志，2001，8（3）：136-140.

［3］呂雪瑩.豬膝關(guān)節(jié)軟骨的動態(tài)力學(xué)性能測試［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［4］王玉梅，張堃，韓少東，等.人濕尺骨干在沖擊壓縮實驗下的力學(xué)性能及規(guī)律［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2006（3）：240-242.

［5］LINDHOLM U S.High strain rate tests［M］.Measurement of mechanical properties.New York：Interscience，1971：199.

［6］FERREIRA F J，VAZ M A，SIM?ES J A.Preliminary study on the characterization of bovine femoral cortical boneathighstrainrateusingthesplitHopkinson PressureBar［J］.ActaofBioengineeringand Biomechanics，2002，4（Suppl 1）：411-413.

［7］FREW D J，F(xiàn)ORRESTAL M J，CHEN W.Pulse shaping techniques for testing elastic-plastic materials with a split Hopkinson pressure bar［J］.Experimental Mechanics，2005，45（2）；186-195.

［8］FREW D J，F(xiàn)ORRESTAL M J，CHEN W.Pulse shaping techniques for testing brittles material with a split Hopkinson pressure bar［J］.Experimental Mechanics，2002，42（1）：93-106.

［9］TREXLER M，LENON A，WICKWIRE A，et al.Vertification and implementation of a modified split Hopkinson pressurebartechniqueforcharacterizingbiological tissue and soft bi-osimulant materials under dynamic shear loading［J］.Journal of the Mechanical Behavio-r of Biomedical Materials，2011，4（8）：1920-1928.

［10］SONG B，CHEN W，GE Y，et al.Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle［J］. Journal of Biomechanics，2007，40（13）：2999-3005.

［11］LIM J，HONG J，CHEN W W.Mechnical response of pig skin under dynamic tensile loading［J］.International Journal of Impact Engineering，2011，38（2）：130-135.

（編輯：莫婕）

Research on shock compression test of pig's lower limb

LI Xin，CHEN Li，ZHANG Qingming，ZHANG Aifa，MA Gang
（State Key Laboratory of Expansion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Lower limbs of human beings are very easy to be injured by underwater or land mine explosion.This research attempts to understand the femur and shank's dynamic properties and dynamic mechanical distribution law of their different parts under shock load.This paper uses split-Hopkinson pressure bar（SHPB）to conduct dynamic compressive test on femur and tibia under different strain rates for the purpose of acquiring compression deformation and stress-strain curve thereof and further acquiring compressive strength under compact impression.Research shows femur and shank have highly dependency on strain rate and they also demonstrate a strong central distribution along with two weak ends in the aspect of dynamic mechanical properties.This research has practical value to impact resistance and injury's treatment and prevention.

femur；tibia；SHPB；shock compression

A

1674-5124（2016）10-0063-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.012

2016-04-15；

2016-05-20

李昕（1990-），女，河北石家莊市人，碩士研究生，專業(yè)方向為材料與結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)。