用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，属于科学仪器与材料力学性能测试领域。拉伸‑压缩加载单元、冲击加载单元分别安装在矩形框架两侧，复合生物材料试件安装在拉伸‑压缩加载单元上，矩形框架安装在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与位检测单元中的高速相机呈三角形分布且角度固定。利用电磁力作驱动力对复合生物材料试件施加任意载荷比的拉‑冲击或压‑冲击耦合载荷，利用力传感器检测施加在试件的拉伸或压缩载荷以及电阻应变片检测试件所受的冲击载荷，同时利用高速相机对生物材料样品试件的受力变形和裂纹萌生、扩展等进行原位检测。该装置可为生物材料冲击实验提供有效测试工具。

Electromagnetic experimental device for measuring impact mechanical properties of biomaterials

The invention relates to an electromagnetic experimental device for testing impact mechanical properties of biomaterials, belonging to the field of scientific instruments and mechanical properties testing of materials. The compression loading unit and the impact loading unit are installed on both sides of the rectangular frame respectively. The composite biomaterial specimen is installed on the tensile compression loading unit. The rectangular frame is installed at the center position of the circular base. The high-speed camera in the composite biomaterial specimen and the position detection unit is distributed in triangle and fixed on the angle. Using the electromagnetic force as the driving force on the composite biomaterial specimen, the tensile or pressure impact coupling load is applied at any load ratio, and the force sensor is used to detect the tensile or compression load applied to the specimen and the impact load of the resistance strain gauge test specimen. At the same time, the high speed camera is used for the specimen of the biomaterial sample. In situ tests were carried out for force deformation and crack initiation and propagation. The device can provide an effective testing tool for impact test of biomaterials.

【技术实现步骤摘要】
用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置
本专利技术涉及生物材料力学性能测试领域，属仪器仪表类，特别涉及生物材料冲击载荷实验系统，尤指一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置。利用电磁力做驱动力对生物材料施加拉伸、压缩和冲击耦合载荷，同时利用高速相机对复合生物材料试件进行原位检测，为揭示生物材料在拉伸和压缩预载荷条件下，受冲击载荷时的变形损伤机制和性能演化规律提供了一种新型实验装置。
技术介绍
无论是在现在机械工程领域还是在日常生活领域中，冲击载荷都有着普遍的分布，冲击载荷是指一种大小随时间快速变化的载荷。由于冲击载荷对工程材料和生物材料的使用和安全有重大影响，因此研究冲击载荷显的得尤为重要。目前应用较为广泛的冲击载荷加载装置有摆锤、落锤、霍普金森杆、轻气炮、电磁冲击等。落锤式冲击实验机是利用落锤冲击实验件而施加冲击载荷，这种装置具有结构简单、操作方便的特点，但也具有体积过大、冲击速度一般不超过16m/s、不能实现恒速加载和恒定载荷加载等缺点。轻气泡冲击实验机适用于平板撞击、斜板撞击实验，也可用于对高应变材料的动态性能研究、应力波在实验材料中传播性的研究。这种冲击加载方式具有清洁、无污染、适用于较复杂的动态性能实验等优点，但这种加载设备的适用范围非常有限，主要缺点是设备结构复杂，运行成本高。霍普金森杆是实验室和工程中常用的一种冲击加载方式，具有结构简单、便于操作，测量方法准确、施加波形容易控制、应变率测量范围广等优点，但在材料的测试上具有局限性，对金属或合金为主的材料，由于金属的塑性变形能力强，拉伸或压缩具有对称性，因此测量误差小，但对于结构具有多变性且复杂的复合材料，其阻抗、延展性与金属相比有较大差距，不适合采用这种实验装置。生物材料一般均为有机高分子复合材料，因此在生物材料测试中不适宜使用霍普金森杆。以上所述的冲击加载装置具有体积大、成本高、安全性差、适用范围小等局限。生物材料一般指生物医学材料，是一类人工或天然的材料，可与药物一起制成部件或器件用于人体的组织、器官的治疗、代替或增强，例如假牙、假肢等，而且不会对生物体产生明显或潜在的危害。生物材料研究的首要目的够修复甚至代替人体的器官和组织，并且能够发挥生理功能作用。生物材料种类众多，依据材料的生物性能可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料。生物惰性材料指一类可在生物环境中稳定存在，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料。主要有氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料等几类，这类材料可用来制作人工关节做生物体的制成材料。生物活性材料是一类能够实现调节生物活性的生物医学材料主要有以下几类：羟基磷灰石（这种材料也是生物体骨头和牙齿的主要无机成分），磷酸钙生物活性材料，磁性材料，生物玻璃。生物降解材料指植入人体后，能不断被水解且分解的产物能够被生物体吸收或排出体外的一类材料。生物复合材料，顾名思义，由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，该材料主要用于修复、替换人体组织、器官或增进其功能和制造人体器官。如今，生物材料科学已经成为一门与现代医学、保健等系统密切相关的学科，不仅如此，它还与材料、生物化学、物理等学科有着密切关联，生物材料由于重要的使用价值因而得到了世界各国的广泛重视，具有很高的研究意义和有非常好的应用前景。现在市场上出售的冲击载荷试验机多存在载荷加载单一，应用范围小等不足之处，考虑到生物材料和生物体一般都处于复杂应力环境，受到的载荷多为拉-冲击或压-冲击耦合载荷，故不能较好的模拟并反映生物材料真实使用环境下的力学性能以及损伤机理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，解决了现有冲击加载装置存在的体积大、成本高、安全性差、适用范围小等问题，解决了冲击载荷试验机多存在载荷加载单一，应用范围小等不足。本专利技术采用了电磁力作为驱动冲击载荷的动力。利用电磁力作为冲击载荷的动力的研究目前正处于初级阶段，但电磁力作为冲击载荷驱动力具有安全性好、体积小、加载范围大、结构紧凑等优势。电磁冲击速度具有一定的限制而且冲击频率较低，本专利技术中生物材料多为仿生骨类材料，相比较其它金属材料，强度、刚度较小，因而对速度和冲击载荷大小要求不高，因此利用电磁力作为本专利技术装置中的冲击载荷的驱动力具有明显优势。本专利技术从生物材料和生物体真实受力环境的角度出发，利用电磁力作驱动力实现任意载荷比的静-动态耦合载荷的加载，完成了对真实工作环境应力状态的模拟，同时利用高速相机对试件的受力变形、裂纹萌生、扩展进行实时动态监测，因而本专利技术可为生物材料冲击力学性能测试提供一种有效的实验装置。本专利技术可实现对试件在受拉伸或压缩载荷和冲击载荷耦合条件下的力学性能测试。本专利技术主要有拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、试件等组成。电磁铁器件输出载荷大、体积小、结构紧凑等优势，电磁铁吸盘可对试件施加较大运动行程的单轴拉伸或压缩载荷的预加载，同时利用电磁铁吸盘对试件施加冲击载荷，可实现不同模式的静-动态耦合载荷加载。高速相机具有速度快，图片质量好，分辨率高等优势，通过高速相机对试件受冲击瞬间的受力变形和裂纹扩展进行原位检测。同时对生物材料试件进行改进设计，使其更好地反映出生物材料力学性能。因此，本专利技术可对生物体结构和生物材料在生物体环境服役等情况下由冲击载荷引发的受损机理提供有效的测试工具。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，包括拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件，其中拉伸-压缩加载单元、冲击载荷加载单元、复合生物材料试件等集成布置在矩形框架内，矩形框架一侧垂直布置拉伸-压缩加载单元，复合生物材料试件两端的凹槽固定安装在拉伸-压缩加载单元的夹具体上，在矩形框架对立一侧将冲击载荷加载装置水平布置并固定在丝杠滑块上，实验过程中利用冲击加载单元中的冲击杆撞击复合生物材料试件实现冲击载荷的加载。矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形形式分布且角度固定，高速相机通过丝杠滑块模组可对两自由度平面的位置进行精确调整，此外通过伺服电机驱动原位检测单元中的齿轮可绕圆形底座中心转动以调节检测位置。所述的拉伸-压缩加载单元包括力传感器9、下夹具体10、螺母27、调节螺栓A28、上夹具体12、电磁铁吸盘A13、永磁铁A29、压紧件A30、滑块31、导轨32等。其中，一对导轨32垂直安装在矩形框架14内侧，滑块31与导轨32形成滑动副,上、下夹具体12、10固定在滑块31上，上、下夹具体12、10垂直分布，下夹具体10与固定安装在矩形框架14上的力传感器9固连，上夹具体12两端部的上下两侧分别安装有永磁铁A29；电磁铁吸盘A13通过调节螺栓A28和螺母27安装在矩形框架14上，并与永磁铁A29保持中心重合的位置关系；通过调节螺栓A28调节电磁铁吸盘A13的位置高度以适应不同尺寸的复合生物材料试件。所述的冲击加载单元包括联轴器19、步进电机B20、光杠B21、丝杠B22、电磁铁吸盘B23、冲击杆24、滑块B25、支撑架26、压紧件安装螺钉A33、支撑件安装螺钉34、压紧件B35本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：包括拉伸‑压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件，其中拉伸‑压缩加载单元、冲击载荷加载单元、复合生物材料试件集成布置在矩形框架内，矩形框架一侧垂直布置拉伸‑压缩加载单元，复合生物材料试件两端的凹槽固定安装在拉伸‑压缩加载单元的夹具体上，在矩形框架对立一侧将冲击载荷加载装置水平布置并固定在丝杠滑块上，矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形形式分布且角度固定，高速相机通过丝杠滑块模组可对两自由度平面的位置进行精确调整，此外通过伺服电机驱动原位检测单元中的齿轮可绕圆形底座中心转动以调节检测位置。

【技术特征摘要】
1.一种用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：包括拉伸-压缩加载单元、冲击加载单元、原位检测单元、复合生物材料试件，其中拉伸-压缩加载单元、冲击载荷加载单元、复合生物材料试件集成布置在矩形框架内，矩形框架一侧垂直布置拉伸-压缩加载单元，复合生物材料试件两端的凹槽固定安装在拉伸-压缩加载单元的夹具体上，在矩形框架对立一侧将冲击载荷加载装置水平布置并固定在丝杠滑块上，矩形框架固定安装在在圆形底座的中心位置，复合生物材料试件与分布在矩形框两侧的原位检测单元中的高速相机呈三角形形式分布且角度固定，高速相机通过丝杠滑块模组可对两自由度平面的位置进行精确调整，此外通过伺服电机驱动原位检测单元中的齿轮可绕圆形底座中心转动以调节检测位置。2.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：所述的拉伸-压缩加载单元是：一对导轨（32）垂直安装在矩形框架（14）内侧，滑块（31）与导轨（32）形成滑动副，上、下夹具体（12、10）垂直分布并固定在滑块（31）上，下夹具体（10）与一侧固定安装在矩形框架（14）上的力传感器（9）固连，上夹具体（12）两端部的上下两侧分别安装有永磁铁A（29）；电磁铁吸盘A（13）通过调节螺栓A（28）和螺母（27）安装在矩形框架（14）上，并与永磁铁A（29）保持中心重合的位置关系；通过调节螺栓A（28）调节电磁铁吸盘A（13）的位置高度以适应不同尺寸的复合生物材料试件。3.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：所述的冲击加载单元是：永磁铁B（38）安装在冲击杆（24）杆尾，冲击杆杆头为圆锥状，冲击杆（24）安装在套筒（36）内并可沿水平方向自由移动，套筒（36）通过支撑件安装螺钉B(37)固定在压紧件B上（35），压紧件B（35）通过压紧件安装螺钉B（34）固定在支撑架（26）上，电磁铁吸盘B（23）通过调节螺栓B（39）固连在滑台B（25）上，冲击杆（24）和电磁铁吸盘B（23）保持中心重合安装；滑台B（25）由光杠B（21）约束并仅沿垂直方向移动，丝杆B（22）通过联轴器（19）与步进电机B（20）连接，步进电机B（20）驱动丝杠B（22）将转运动转化为滑台B（25）垂直方向上的移动。4.根据权利要求1所述的用于生物材料冲击力学性能测试的电磁式实验装置，其特征在于：所述的原位检测单元是：高速相机（15）固定在相机底座（18）上，相机底座（18）通过螺钉固连在滑台A（4）上，一对丝杠滑块模组（5）相互垂直安装并固定在回转平台（6）上，回转平台（6）一端与圆形底座（7）形成转动副，伺服电机（16）与齿轮（17）刚性连接并共同安装在回转平台（6）上，齿轮（17）与安装在圆形底座（7）上的齿圈（8）相互啮合，通过伺服电机（16）驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，张红诏，赵宏伟，任露泉，杜希杰，马筱溪，强振峰，蒋东颖，严家琪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22