一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，該裝置整體采用對(duì)稱(chēng)雙層支架結(jié)構(gòu)，包括中心軸、可移動(dòng)試樣臺(tái)、第一支架和第二支架。中心軸的運(yùn)動(dòng)由帶法蘭的直線軸承控制，速度由設(shè)置在第一支架上的液壓緩沖器控制，砝碼托盤(pán)固定在液壓緩沖器之上，中心軸的頂端裝有LVDT位移傳感器，壓頭設(shè)置在中心軸的最底端，緊靠壓頭之上設(shè)置有壓力傳感器；由試樣槽和試樣槽支架組成的可移動(dòng)試樣臺(tái)固定在第二支架的底部支座上。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)試方便，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)來(lái)自壓力傳感器和位移傳感器的信號(hào)，能夠測(cè)量在模擬體液環(huán)境下試樣在恒定載荷下位移-時(shí)間的變化，以及試樣在恒定加載速度下壓力-位移的變化。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種力學(xué)性能測(cè)試裝置，尤其是一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)節(jié)軟骨是組成滑膜關(guān)節(jié)的承重組織，用于傳遞和分散施加在關(guān)節(jié)上的壓縮載荷，并提供一個(gè)非常低摩擦系數(shù)的承重表面。由于軟骨是骨關(guān)節(jié)炎中最先受損的，因此精確了解其力學(xué)性能非常必要。此外，對(duì)軟骨力學(xué)性能的了解也為設(shè)計(jì)符合生物力學(xué)原理的仿生軟骨修復(fù)材料提供依據(jù)，具有重要的研究?jī)r(jià)值，對(duì)推動(dòng)軟骨生物力學(xué)的發(fā)展具有重要意義。
[0003]關(guān)節(jié)軟骨被認(rèn)為是一種兩相材料，受到載荷時(shí)，其固體相發(fā)生瞬間變形，進(jìn)入蠕變期，液體相從軟骨基質(zhì)流入到滑液中，賦予關(guān)節(jié)軟骨特殊的力學(xué)性質(zhì)。目前，多采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，包括拉伸、壓縮、蠕變、撕裂性能等，但不能精確的檢測(cè)受載過(guò)程中固液兩相的變化。英國(guó)利茲大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程研究所研制出了一種壓凹實(shí)驗(yàn)裝置，旨在快速準(zhǔn)確的測(cè)量壓痕深度和軟骨厚度。但該裝置的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，試樣的裝載和拆卸不夠方便，而且不能測(cè)量模擬體液環(huán)境下的軟骨蠕變行為。而目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成型的設(shè)備用于軟骨蠕變性能測(cè)量，因此研制出專(zhuān)門(mén)用于軟骨蠕變力學(xué)性能研究的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)裝置十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)試方便的裝置，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量模擬體液環(huán)境下在恒定壓力下試樣的變形情況，以及試樣在恒定加載速度下壓力-位移的變化，以更全面的評(píng)價(jià)軟骨修復(fù)材料的力學(xué)性能，更好的模擬體內(nèi)使用情況。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，該裝置包括中心軸、可移動(dòng)試樣臺(tái)、第一支架和第二支架，所述第一支架與第二支架連接；所述中心軸包括LVDT位移傳感器、砝碼托盤(pán)、液壓緩沖器、帶法蘭的直線軸承、壓力傳感器和壓頭，所述中心軸的運(yùn)動(dòng)由帶法蘭的直線軸承控制，速度由設(shè)置在第一支架上的液壓緩沖器控制，砝碼托盤(pán)固定在液壓緩沖器之上，中心軸的頂端裝有LVDT位移傳感器，并貫穿于第一支架的上部支座上設(shè)置的通孔，壓頭設(shè)置在中心軸的最底端，緊靠壓頭之上設(shè)置有壓力傳感器；可移動(dòng)試樣臺(tái)固定在第二支架的底部支座上，所述中心軸通過(guò)帶法蘭的直線軸承與第二支架的中部支座連接。
[0006]所述第一支架由上部支座和兩個(gè)導(dǎo)軌組成，所述兩個(gè)導(dǎo)軌的一端與上部支座的兩端固定，另一端與第二支架的中部支座固定。
[0007]所述第二支架由中部支座、底部支座和第一導(dǎo)軌、第二導(dǎo)軌組成，所述第一導(dǎo)軌、第二導(dǎo)軌的一端與中部支座的兩端連接，另一端與底部支座的兩端固定。
[0008]所述第一導(dǎo)軌、第二導(dǎo)軌的一端設(shè)置螺紋，中部支座的兩端設(shè)置通孔，第一導(dǎo)軌、第二導(dǎo)軌的螺紋與中部支座通孔連接后通過(guò)螺栓固定。[0009]所述第一導(dǎo)軌、第二導(dǎo)軌的螺紋處設(shè)置平墊圈。
[0010]所述帶法蘭的直線軸承通過(guò)插銷(xiāo)與中部支座固定連接。
[0011]所述壓頭為半圓形，直徑為Φ3ι?πι、Φ6mm> Φ9mm,材質(zhì)為不銹鋼。
[0012]所述可移動(dòng)試樣臺(tái)為可拆卸結(jié)構(gòu)，包括試樣槽和試樣槽支架，所述試樣槽支架與試樣槽通過(guò)螺紋連接。
[0013]所述試樣槽包括試樣外槽、試樣內(nèi)槽和試樣夾具三部分；所述試樣外槽為一端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)，在其筒內(nèi)封閉端上設(shè)置一凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置與試樣外槽同樣結(jié)構(gòu)的試樣內(nèi)槽，試樣內(nèi)槽側(cè)面設(shè)置通孔，試樣內(nèi)槽內(nèi)部設(shè)置圓錐臺(tái)形狀的試樣夾具，所述的試樣夾具直徑大的圓面與試樣內(nèi)槽相接觸，直徑小的圓面中心設(shè)有圓柱形的內(nèi)槽，并在其頂部的圓環(huán)上對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽。
[0014]在所述試樣內(nèi)槽的封閉端上設(shè)置一通孔。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):1、該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便，能快速的完成試樣的夾緊與更換；2、該裝置能在模擬體液環(huán)境下測(cè)量試樣的力學(xué)性能；3、該裝置能精確測(cè)量多種材料在恒定載荷(精度達(dá)到0.01N)下變形(測(cè)量精度達(dá)到0.0lmm)隨時(shí)間的變化情況；4、該裝置還能測(cè)量試樣在恒定加載速度下壓力隨位移的變化。
[0016]本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施例及其附圖給出。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明中試樣槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明試樣夾具的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]結(jié)合圖1，一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，由中心軸、第一支架、第二支架和可移動(dòng)試樣臺(tái)組成。第一支架由上部支座9和兩個(gè)導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌的一端與上部支座9的兩端固定，導(dǎo)軌的另一端與第二支架的中部支座10固定。第二支架由中部支座10、底部支座11、第一導(dǎo)軌12和第二導(dǎo)軌13組成，第一導(dǎo)軌12和第二導(dǎo)軌13的一端均設(shè)置螺紋，中部支座10的兩端設(shè)置通孔，第一導(dǎo)軌12和第二導(dǎo)軌13的螺紋與中部支座10的通孔連接后通過(guò)螺栓固定，且在第一導(dǎo)軌12和第二導(dǎo)軌13的螺紋處設(shè)置平墊圈，用于調(diào)節(jié)中部支座10的高度，第一導(dǎo)軌12和第二導(dǎo)軌13的另一端與底部支座11的兩端固定。中心軸由LVDT位移傳感器1、砝碼托盤(pán)2、液壓緩沖器3、帶法蘭的直線軸承4、壓力傳感器5和壓頭6構(gòu)成，中心軸的運(yùn)動(dòng)由帶法蘭的直線軸承4控制，速度由設(shè)置在第一支架上的液壓緩沖器3控制，砝碼托盤(pán)2固定在液壓緩沖器3之上，中心軸的頂端裝有LVDT位移傳感器1，并貫穿于第一支架的上部支座10上設(shè)置的通孔，以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中LVDT位移傳感器I的垂直度。壓頭6設(shè)置在中心軸的最底端，緊靠壓頭6之上設(shè)置有壓力傳感器5?？梢苿?dòng)試樣臺(tái)由試樣槽7和試樣槽支架8組成，試樣槽支架8通過(guò)螺紋與試樣槽7連接，可控制試樣槽7的高度，試樣槽支架8固定在第二支架的底部支座11上，帶法蘭的直線軸承4通過(guò)插銷(xiāo)與第二支架的中部支座10固定連接。[0022]試樣槽7可拆卸,包括試樣外槽14、試樣內(nèi)槽15和試樣夾具16三部分。試樣外槽14主要用于裝PBS緩沖液或其他模仿人體體液環(huán)境的溶液，試樣外槽14為一端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)，在其筒內(nèi)封閉端即底面上設(shè)置一凹槽，凹槽內(nèi)可放置與試樣外槽14同樣結(jié)構(gòu)的不同尺寸的試樣內(nèi)槽15，試樣內(nèi)槽15側(cè)面設(shè)置通孔，用于與試樣外槽14進(jìn)行溶液交換，試樣夾具16為圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)(錐角成?15° )，其直徑大的圓面與試樣內(nèi)槽15內(nèi)部的封閉端即底面的尺寸吻合，以使得試樣夾具16與試樣內(nèi)槽15良好接觸,不易移動(dòng)；在試樣夾具16直徑小的圓面上開(kāi)有圓柱形的凹槽,并在試樣夾具16頂部的圓環(huán)上以中心軸線對(duì)稱(chēng)開(kāi)方形槽，如圖3，便于溶液交換，方形槽的個(gè)數(shù)優(yōu)選4個(gè)，將試樣放入試樣夾具16后，用圓環(huán)套在試樣夾具16上下壓加固。試樣內(nèi)槽15封閉端即底面上的中心設(shè)置一通孔，便于試樣夾具16的取出。
[0023]在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試前先把試樣裝入試樣夾具16內(nèi)，用套環(huán)壓緊，再放入試樣內(nèi)槽15，并固定在試樣外槽14內(nèi)部，在加注適量模擬體液；在砝碼托盤(pán)2上加載所需的載荷；旋轉(zhuǎn)可移動(dòng)試樣臺(tái)或通過(guò)調(diào)整中部支座10高度使試樣剛好接觸壓頭6，壓頭6是半圓形的，直徑有三種規(guī)格:Φ3πιπι、Φ6πιπι、Φ9πιπι，制作材料為不銹鋼；調(diào)整液壓緩沖器3的下端旋鈕，調(diào)到所需的下壓速度；再將位移傳感器1、壓力傳感器5的示數(shù)歸零；拔出帶法蘭的直線軸承4上的插銷(xiāo)，中心軸在加載和緩沖器的作用下以恒載或恒定壓縮速度緩慢向下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，與位移傳感器I和壓力傳感器5相連的計(jì)算機(jī)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于:該裝置包括中心軸、可移動(dòng)試樣臺(tái)、第一支架和第二支架，所述第一支架與第二支架連接；所述中心軸包括LVDT位移傳感器[I]、砝碼托盤(pán)[2]、液壓緩沖器[3]、帶法蘭的直線軸承[4]、壓力傳感器[5]和壓頭[6]，所述中心軸的運(yùn)動(dòng)由帶法蘭的直線軸承[4]控制，速度由設(shè)置在第一支架上的液壓緩沖器[3]控制，砝碼托盤(pán)[2]固定在液壓緩沖器[3]之上，中心軸的頂端裝有LVDT位移傳感器[I]，并貫穿于第一支架的上部支座[10]上設(shè)置的通孔，壓頭[6]設(shè)置在中心軸的最底端，緊靠壓頭[6]之上設(shè)置有壓力傳感器[5];可移動(dòng)試樣臺(tái)固定在第二支架的底部支座[11]上，所述中心軸通過(guò)帶法蘭的直線軸承[4]與第二支架的中部支座[10]連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于第一支架由上部支座[9]和兩個(gè)導(dǎo)軌組成，所述兩個(gè)導(dǎo)軌的一端與上部支座[9]的兩端固定，另一端與第二支架的中部支座[10]固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于第二支架由中部支座[10]、底部支座[11]和第一導(dǎo)軌[12]、第二個(gè)導(dǎo)軌[13]組成，所述第一導(dǎo)軌[12]、第二個(gè)導(dǎo)軌[13]的一端與中部支座[10]的兩端連接，另一端與底部支座[11]的兩端固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于第一導(dǎo)軌[12]、第二個(gè)導(dǎo)軌[13]的一端設(shè)置螺紋，中部支座[10]的兩端設(shè)置通孔，第一導(dǎo)軌[12]、第二個(gè)導(dǎo)軌[13]螺紋與中部支座[10]通孔連接后通過(guò)螺栓固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于在所述第一導(dǎo)軌[12]、第二個(gè)導(dǎo)軌[13]的螺紋處設(shè)置平墊圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述帶法蘭的直線軸承[4]通過(guò)插銷(xiāo)與中部支座[10]固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述壓頭[6]為半圓形，直徑為Φ3ι?πι、Φ6ι?πι或Φ 9mm,材質(zhì)為不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述可移動(dòng)試樣臺(tái)[7]為可拆卸結(jié)構(gòu)，包括試樣槽[7]和試樣槽支架[8]，所述試樣槽支架[8]與試樣槽[7]通過(guò)螺紋連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述試樣槽[7]包括試樣外槽[14]、試樣內(nèi)槽[15]和試樣夾具[16]三部分,所述試樣外槽[14]為一端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)，在其筒內(nèi)封閉端上設(shè)置一凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置與試樣外槽[14]同樣結(jié)構(gòu)的試樣內(nèi)槽[15]，所述試樣內(nèi)槽[15]側(cè)面設(shè)置通孔，并在試樣內(nèi)槽[15]內(nèi)部的封閉端上設(shè)置圓錐臺(tái)形狀的試樣夾具[16]，所述試樣夾具[16]直徑大的圓面與試樣內(nèi)槽[15]的封閉端相接觸，所述的試樣夾具[16]直徑小的圓面上設(shè)有圓柱形的內(nèi)槽，并在所述試樣夾具[16]的頂部圓環(huán)上對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的軟骨蠕變力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于在所述試樣內(nèi)槽[15]的封閉端上設(shè)置一通孔。
【文檔編號(hào)】G01N3/28GK103926158SQ201310016141
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月16日
【發(fā)明者】熊黨生, 石雁, 唐仲豐, 聶中文 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)