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 爆炸科學與技術國家重點實驗室，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 爆炸科學與技術國家重點實驗室，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、脛骨的動態力學性能以及它們不同部位動態力學性能的分布規律，利用分離式Hopkinson壓桿（SHPB）分別對股骨、脛骨的不同部位進行不同應變率下的動態壓縮實驗。分別得到股骨和脛骨不同部位在不同應變率下的壓縮變形情況以及應力應變曲線，進一步得到它們在沖擊壓縮下的抗壓強度。研究表明：股骨，脛骨都對應變率具有較大的依賴性；在沖擊壓縮條件下，股骨和脛骨動態力學性能都表現出兩端較弱，中部較強的分布規律，該研究成果對以后提高人體的抗沖擊能力，加強人體沖擊傷的救治與防護具有一定參考價值。

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、非均質的復合材料，并具有粘彈性性能。在海戰中，艦艇遭受來自水雷、魚雷等水下武器非接觸爆炸作用時，會產生強烈艦艇沖擊運動，尤以垂直向上的沖擊最為嚴重，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］。在陸戰中，地雷爆炸對裝甲車中人員造成地雷沖擊損傷，主要表現為粉碎性骨折、肢體離斷等，其損傷程度與下肢骨骼在沖擊壓縮下的力學性能有密切關系。因此，研究下肢骨骼在沖擊載荷作用下的動態響應具有重要意義。

近年來，分離式霍普金森壓桿（SHPB）技術開始應用于測試骨頭等脆性材料的動態力學性能，同一根骨的不同部位，由于功能不同，結構與形狀也不同（如股骨干與股骨頭）。這種“形狀—功能”之間的關系是了解骨的材料性能及骨的功能的關鍵。但多數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，而骨頭無論在形態結構上或者力學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。利用SHPB分別對股骨的不同部位和脛骨的不同部位進行了兩種不同應變率下的動態壓縮實驗，得到應力應變曲線，探討沖擊載荷作用下股骨、脛骨的抗壓強度以及不同部位抗壓強度的分布規律。

1　試件制作

豬有著人類相當的皮質骨、松質骨結構，并且重建機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。為了保證實驗結果的有效性和重復性，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之內完成實驗，以保證骨結構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、摩擦效應和二維效應的影響，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、激發裝置采用氣體驅動，基于實驗成本以及安全性的考慮，使用的驅動氣體是氮氣。在實驗中，通過應變片對入射波、反射波以及透射波進行測量，其中貼在入射桿上的應變片為電阻應變片，它的靈敏系數為2；由于透射信號比較小，所以貼在透射桿上的應變片為半導體應變片，它的靈敏系數為110。電阻應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］；半導體應變片和試件之間的距離與電阻應變片和試件的距離一致。這兩組信號經放大后由瞬態波形存儲器記錄。

在測量骨頭動態力學性能時，如果SHPB直接加載，應力波會因為撞擊產生高頻分量；并且對于骨頭這種脆性材料，需要更長的時間達到應力平衡，而應力波上升沿時間較短，難以在這段時間達到應力平衡；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到的應變率密切相關，本文在入射桿撞擊端粘貼了一組整形器，該整形器是由醫用膠帶和卡紙組成，卡紙的厚度0.075mm，醫用膠帶為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，實現恒定應變率加載，試件也處于均勻受力狀態，測試結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，根據一維應力波理論，可以導出沖擊壓縮載荷作用下試樣的應力、應變和應變率隨時間的變化關系。并且可以通過處理得到試件的應力應變曲線，通過曲線進而能得到脛骨、股骨不同部位的抗壓強度。

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變率下的動態力學性能，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，脛骨從靠近膝關節的一端開始編號，為1#～7#，一共56個脛骨試件，實驗根據應變率分為兩組，應變率分別為400 s-1和700 s-1。每一根股骨可以制備6個試件，股骨也從靠近膝關節的一端開始編號，為1#～6#，一共48個股骨試件，實驗根據應變率分為兩組，應變率分別為400s-1和800s-1。

3　實驗結果

3.1脛骨不同部位在不同應變率下的力學性能

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變率，所以將應變率分為兩個區間，390～412s-1，679～720s-1。當應變率在390～412s-1區間內時，在實驗過程中，發現試件1#，2#，5#，6#，7#粉碎，如圖5（a）所示。而試件3#、4#只是出現了裂紋，如圖5（b）所示。當應變率在679～720s-1區間內時，所有的試件都被撞擊粉碎。

圖5　脛骨撞擊實驗結果

脛骨不同部位的應力應變曲線如圖6、圖7所示。在得出應力-應變曲線中，曲線上升的最高點相當于骨骼的強度極限，由此可以得出脛骨不同部位的抗壓強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應變率下的應力應變

圖7　脛骨不同部位在700s-1應變率下的應力應變曲線

可以看出，脛骨的抗壓強度沿軸向的分布規律為：中部強度最大，兩端較小，并且靠近關節的一端的強度要小于另一端。在應變率為400 s-1時，脛骨抗壓強度最大為157 MPa，當應變率為700s-1時，抗壓強度最大為229 MPa，所以當應變率提高時，抗壓強度也有所提高，說明脛骨的力學性能依賴于應變率。

圖8　400s-1應變率下脛骨的抗壓強度沿軸向變化

圖9　700s-1應變率下脛骨的抗壓強度沿軸向變化

3.2股骨不同部位在不同應變率下的力學性能

在實驗過程中，同樣將應變率分為兩個區間，分別為380～410s-1、790～810s-1。在應變率區間為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#出現裂紋，如圖10（b）所示。在區間為790～810s-1時，所有的試件都被撞擊粉碎。

圖10　股骨撞擊實驗結果

股骨不同部位的應力應變曲線如圖11、圖12所示。

圖11　股骨不同部位在400s-1應變率下的應力應變曲線

圖12　股骨不同部位在800s-1應變率下的應力應變曲線

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

圖13　400s-1應變率下股骨的抗壓強度沿軸向的變化

可以看出，股骨的力學性能的分布規律與脛骨一致，它的抗壓強度呈現出兩端較弱，中部強的規律，并且是不對稱分布，靠近關節一端的抗壓強度略低于另一端。當應變率為400s-1時，股骨強度最高為160MPa，當應變率為800s-1時，強度提高為192MPa?？梢钥闯?，當應變率提高時，股骨的強度也有所提高，說明股骨的強度特性依賴于應變率，即與應變率相關。

圖14　800s-1應變率下股骨的抗壓強度沿軸向的變化

4　分析與討論

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

5　結束語

通過一系列豬下肢骨的沖擊壓縮實驗，可以得到以下結論：1）股骨、脛骨的力學性能呈現中部強，兩端弱的特點；2）股骨、脛骨抗壓強度對應變率具有明顯的依賴性，即與應變率相關［11］。為了深入研究豬下肢骨在沖擊載荷下的力學響應，還需進一步的實驗。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措施。

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（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，專業方向為材料與結構沖擊動力學。