一种骨表面残余应力分布测试方法技术

本发明专利技术公开一种骨表面残余应力分布测试方法：步骤1建立了骨不同深度应力与应变的关系；步骤2建立了骨的应力与深度的关系；步骤3通过等式变换消除了实验最终要测的未知量，引入了柔度系数这一量，建立了应变与柔度系数和待求系数的关系并通过有限元模型计算出了柔度系数；步骤4通过改进的实验测得了应变值；步骤5通过实验测得了骨这一各向异性材料横向和纵向的弹性模量；步骤6通过求出的柔度系数和实验测得的应变解出了待求系数，从而最终求出了骨表面残余应力与深度的关系。本发明专利技术的有益效果是：通过独创的实验手段和建模结合的方式，提出了一种新的测量骨表面残余应力分布的测试方法，能够较为准确地测量骨表面附近残余应力分布。

A method for measuring residual stress distribution on bone surface

The invention discloses a method for measuring residual stress distribution on bone surface: step 1 establishes the relationship between stress and strain in different depth of bone; step 2 establishes the relationship between stress and depth of bone; step 3 eliminates the unknown quantity to be measured in the final experiment by equation transformation, introduces the quantity of flexibility coefficient, and establishes the strain and flexibility system. The relationship between the number and the coefficients to be calculated and the flexibility coefficients are calculated by the finite element model; step 4 obtains the strain values by the improved experiment; step 5 obtains the transverse and longitudinal elastic modulus of the anisotropic material bone by the experiment; step 6 obtains the coefficients to be solved by the obtained flexibility coefficients and the strain measured by the experiment. The relationship between the residual stress and the depth of the bone surface was finally obtained. The beneficial effect of the present invention is that a new method for measuring residual stress distribution on bone surface is proposed by combining original experimental means with modeling method, and the residual stress distribution near the bone surface can be measured more accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种骨表面残余应力分布测试方法
本专利技术属于生物实验力学领域，具体涉及一种骨表面残余应力分布测试方法。
技术介绍
在人体的组织和器官当中，残余应力普遍存在并扮演着非常重要的角色。组织和器官在其生长、重构和形态变化的过程中均会产生相应的残余应力。而反过来，这些残余应力在组织器官生长、重构和形态变化过程中将起着非常重要的作用。同样，残余应力在骨结构的生长、成形和日常修复中起着至关重要的作用。骨表面残余应力的分布研究对于骨组织成长与重建机理研究对于治疗相应的骨科疾病，研制仿生骨结构至关重要。但是由于目前缺乏表面残余应力的有效测量手段，相关研究才刚刚起步。随着残余应力在部分生物结构中的存在、形成和作用逐渐被人们了解和认识，部分生物组织中残余应力的测量手段和方法也在不断发展。但是，由于生物组织往往具有各向异性，非线性，粘弹性，同时在不同层间性质还会发生变化，几何结构也比工程构件更为复杂；并且生物组织离体后残余应力可能会发生变化，材料预处理方式，选取的材料体积等都可能极大地影响实验结果，这就给传统的残余应力的测试方法带来了极大的挑战。到目前为止，骨头里的残余应力主要通过X射线衍射来进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨表面残余应力分布测试方法，其特征在于：该方法包含以下六个步骤：步骤1、建立应力与应变的关系假设残余应力在z方向是均匀分布的,残余应力能够通过以下公式与应变联系起来

【技术特征摘要】
1.一种骨表面残余应力分布测试方法，其特征在于：该方法包含以下六个步骤：步骤1、建立应力与应变的关系假设残余应力在z方向是均匀分布的,残余应力能够通过以下公式与应变联系起来式中，ε(ai)是槽深度为ai时测得的应变值，函数G(x,ai)给出了在槽深度为ai时深度x处单位应力的应变响应；步骤2、建立残余应力与深度的关系残余应力与深度的关系可以近似为式中，Aj是待求系数，n是槽深度方向上被划分的单元数量，Uj(x)是单位脉冲，当深度x满足aj-1≤x≤aj时，Uj(x)＝1；当x满足x≤aj-1,x≥aj时，Uj(x)＝0；步骤3、求解柔度系数Cij将式(2)代入式(1)，得到式中Cij表示柔度矩阵公式，它可以表示为式中，E为弹性模量；从式(1)和式(4)可知，矩阵中的元素Cij代表在aj-1≤x≤aj时，不同增量下，单位应力引起的表面上的应变，即当槽在深度方向有i个增量单元时，在第j个增量单元上施加单位应力，此时表面上的应变响应就是柔度系数Cij；Cij的值可以通过建立槽的有限元模型，然后逐步施加单位应力计算出来，通过删除单元格来模拟槽深度的扩展，但是这种方法只能获得同一厚度平面的平均应力，而无法得到在同一个厚度沿切口方向的应力分布；因此将每个厚度平面分解为多个相互平行的单元，逐个分别施加单位应力，求解每个单元应力对于表面位移的贡献；通过反解位移传递函数矩阵的形式就能获得残余应力沿切口方向分布的情况，再以逐步递进加深切口的方式，得到残余应力沿厚度方向变化情况，从而组合得到整个切割面的三维残余应力分布；步骤4、用骨头进行切槽实验测量骨头不同深度处的应变将牛股骨先进行处理，除去末端和软组织，将其浸泡在5％磷酸盐缓冲溶液中48小时；然后将其固定在夹具上，将试件连同固定它的夹具在室温下浸入水箱中，在试件上方安装切槽装置；对试件的表面进行检查，寻找一个平坦的区域并绘制该区域的平坦度示意图；接下来确...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇波，王俊玲，崔轶，黄裕梁，王治华，傅惠民，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11