测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法。该装置包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置、以及高速摄像机。穿刺针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具或者特种安全装备评价测试领域。

【技术实现步骤摘要】
测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法
本专利技术涉及一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，属于材料性能测试

技术介绍
不管是从事高危行业的的人群，还是普通公众都有可能在日常生活中面临锐器或者钝器的伤害。比如刀具跌落在脚上，这需要鞋子的制作材料具有较好的防刺穿或切割性能。但是材料在动态载荷(使材料产生较大的应变速率)下的性能和变形行为与准静态下有很大区别。随着加载速率的增加，材料的强度和非弹性变形都可能会增加，这使得研究材料的动态穿刺性能具有重要意义。材料的断裂能是评价防护材料的重要指标，然而由于软物质材料具有自组织行为和非线性响应等复杂特性，现阶段缺乏表征软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置与方法，该方法简单有效，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具领域或者特种安全领域。本专利技术中，从能量的角度出发，专利技术了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的方法和装置。针体或刀片以自由落体的方式穿刺切割软物质材料，利用高速摄像机的拍摄结果计算两次穿刺切割实验针体或刀片刚穿透试样底部时的速度，从而得出两次实验分别耗散的能量，针体或刀片两次释放在同一高度初始势能相等。由于第二次穿刺切割中没有断裂行为的发生只有摩擦损耗，通过计算两次实验耗散能量的差值便得出断裂耗散的能量。本专利技术提供了一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样的装置以及高速摄像机。穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，然后将方形铁块和针整体固定在一定高度，固定高度要求能穿透试样，但不宜太高导致下落轨迹偏离竖直方向，针尖与试样顶部距离应在0.2～1m范围内。固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成；通过外部舵机可控制左右两个手爪在基座表面滑动，使方形铁块夹紧或释放。盛放试样的装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又挖有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过。高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。进一步地，穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一定高度上，释放该整体使其垂直落下；针垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。用于穿刺的针体或刀片相对于软材料有足够的刚度，针体和刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形，针体为实心的柱形不锈钢针，刀片为未开刃的SK2刚性刀片。刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。所述高速摄像机为FASTCAMSA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。待测软组织试件如但不限于水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管，肝脏中的一种。所述试件为一个软材料的薄圆形试件。穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动。本专利技术提供了一种测试软物质材料在动态穿刺下断裂能的方法，当穿刺工具为柱形针时包括以下步骤：(1)测量均质方形铁块的质量m1；(2)测量穿刺针体的质量m2,针体横截面周长c，横截面面积s以及针体下端距离试样底部的高度h1；(3)测量圆形试样的厚度t；(4)穿刺针体通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有针的方形铁块从试样正上方的一定高度释放，释放前针体下端距离试样底部的高度h1，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的针体刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验针体刚刚穿透试样底部的速度为v1；(5)将粘有针的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的针体刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验针体刚穿透试样底部时的速度为v2；(6)穿刺工具为圆柱形针体时，将实验所测得数据m1,m2,c,s,t,h1，v1,v2,带入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1针：本专利技术提供了一种测试软物质材料在动态切割下断裂能的方法，当穿刺工具为矩形刀片时包括以下步骤：(1)测量均质方形铁块的质量m1；(2)采用矩形刀片，需要测量刀片的质量m3，宽度a，厚度b以及刀片下端距离试样底部的高度h2；(3)测量圆形试样的厚度t；(4)将刀片通过胶水固定在均质方形铁块上，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，将粘有刀片的方形铁块从试样正上方释放，释放前刀片下端距离试样底部的高度为h2，高速摄像机在铁块释放时开始拍摄。利用高速摄像机拍摄的刀片刚刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第一次试验刀片刚刚穿透试样底部的速度为v1；(5)将粘有刀片的均质方形铁块从同一高度同一位置释放，利用高速摄像机拍摄的刀片刚穿透试样底部的一小段位移除以拍摄时间间隔计算第二次试验刀片刚穿透试样底部时的速度为v2；(6)穿刺工具为矩形刀片，将实验所测得数据m1,m3,a,b,t,h2，v1,v2代入下式即可计算穿刺过程中的穿刺断裂能W1刀：下面以柱形针体为例推导断裂能公式，根据能量守恒定理，穿刺过程中的总能量W0与穿刺断裂能W1和摩擦耗散能W2有下面的平衡方程成立：W0＝W1+W2(1)W0由第一次穿刺过程中的总功S1和断裂横截面积s决定：记第一次穿刺切割实验高速摄像机拍摄到针体(刀片)刚刚穿透试样底部时时间为t1，针体(刀片)继续穿刺一小段位移d1后此时显示的时间为t2，则：摩擦耗散能W2由第二次穿刺过程中的摩擦功S2，试样厚度t和针体横截面周长c决定：记第二次穿刺切割实验高速摄像机拍摄到针体(刀片)刚刚穿透试样底部时时间为t3，针体(刀片)继续穿刺一小段位移d2后此时显示的时间为t4，则：由式(1)-(7)得断裂能W1针可以表示为：本专利技术的有益效果：(1)该方法简单有效而且易操作，并且能够测试动态穿刺或切割下软物质材料的断裂能；(2)在生物软组织材料及工程软物质材料领域具有潜在的应用价值并也望推广于生物医学工程应用领域；(3)该测试方法对于防护材料研发和评价具有一定意义，有望应用到防弹防穿刺等穿戴护具领域或者特种安全领域。附图说明图1为专利技术装置的摆放示意图；图2为计算第一次穿刺针体实验穿透试样底部时速度v1的示意图。图3为盛放试样装置的示意图。图4为不同形状刀片示意图。图中1-夹持器，2-均质方形铁块，3-穿刺针体，4-盛放试样装置，5-高速摄像机，6-试样。t1时刻针体刚刚穿透试样底部，针体继续穿刺一小段位移d1后此时显示的时间为t2。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样装置和高速摄像机，穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，穿刺针体或刀片和均质方形铁块固定使穿刺针体或刀片的底端与试样顶部距离在0.2～1m范围内；所述固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成，通过外部舵机控制左右两个手爪在基座表面滑动，使均质方形铁块夹紧或释放；所述盛放试样装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又设有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过；穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动；高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。/n

【技术特征摘要】
1.一种测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于包括：均质方形铁块、固定均质方形铁块的夹持器、穿刺针体或刀片、盛放试样装置和高速摄像机，穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块上，穿刺针体或刀片和均质方形铁块固定使穿刺针体或刀片的底端与试样顶部距离在0.2～1m范围内；所述固定均质方形铁块的夹持器是电动控制的平行机械手，由基座和手爪组成，通过外部舵机控制左右两个手爪在基座表面滑动，使均质方形铁块夹紧或释放；所述盛放试样装置由一个扁平的大圆盘和两个长圆柱体焊接而成，左右两个长圆柱体用来支撑扁平圆盘，圆盘中心又设有圆形凹槽，在凹槽内放置试样且圆形凹槽底部有孔允许穿刺针体或刀片穿过；穿刺针体或刀片固定在均质方形铁块表面，试样放在盛放试样装置的圆形凹槽内，以免穿刺过程中发生移动；高速摄像机位于盛放试样装置的侧面且与其保持同一水平高度。


2.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：穿刺针体或刀片和均质方形铁块整体固定在一起，释放该整体使其垂直落下；穿刺针体或刀片垂直下落后穿过盛放试样装置的凹槽底部圆孔的圆心。


3.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述穿刺针体或刀片能够穿透试样且穿刺过程中不产生弯曲和变形；所述针体为实心的柱形不锈钢针；所述刀片为未开刃的SK2刚性刀片。


4.根据权利要求3所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述刀片的尖端形状是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一种。


5.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述试件为待测软组织试件，形状为薄圆形，材料为水凝胶、柔性垫、软骨、跟腱、皮肤、血管、肝脏中的一种。


6.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：穿刺针体或刀片通过胶水固定在均质方形铁块表面。


7.根据权利要求1所述的测试软物质材料在动态穿刺或切割下断裂能的装置，其特征在于：所述高速摄像机为FASTCAMSA-Z，镜头设置为5000帧，像素为1024×1024。


8.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：武晓刚，孙玉琴，李朝鑫，秦迎泽，段王平，李鹏翠，张美珍，郭媛，郭红梅，王艳芹，卫小春，陈维毅，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14