《生物力學》課程實驗報告學院：專業(yè)：年級：實驗人姓名：學號：同組實驗人姓名：日期：室溫：相對濕度：骨的力學性質(zhì)實驗：波折與壓縮[實驗目的]1、認識熟悉資料波折、壓縮的測試條件、測試原理以及操作；2、經(jīng)過對骨頭的波折以及壓縮試驗，進一步認識骨頭資料的力學性能。[儀器用具]骨頭，游標卡尺，鋼尺，三點波折試驗機，壓縮試驗機[原理歸納]骨的主要成分是有機質(zhì)、無機鹽和水。在干骨中有機質(zhì)占重量的35%，無機鹽占65%，但在濕骨中，有機質(zhì)約占其重量的22%，無機鹽占46%，水占32%。骨內(nèi)的有機質(zhì)主要包括膠原纖維，無定形基質(zhì)和三種骨細胞。膠原纖維由膠原蛋白分子組成，占骨內(nèi)有機質(zhì)的90%。無定形基質(zhì)約占骨內(nèi)有機質(zhì)的10%，其主要成分為糖—蛋白質(zhì)復合物。骨內(nèi)有機物除了膠原纖維和無定形基質(zhì)以外，還有四種骨組織細胞:骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和破骨細胞。這四種細胞在不同樣的生物力學環(huán)境中能互相轉變，互相當合而吸取舊骨質(zhì)，產(chǎn)生新骨質(zhì)。就密度而言，骨可以分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨是兩種松懈度差別很大的資料，所謂松懈度是指骨骼內(nèi)非礦化（非骨性）組織所占的比率。密質(zhì)骨的松懈度為5%~30%，而松質(zhì)骨則為30%~90%。兩者的力學性能差別很大。第一，密質(zhì)骨強度高，但變形能力差，變形高出2%就會產(chǎn)生斷裂；松質(zhì)骨強度低但變形可達7%左右，其次，由于松質(zhì)骨擁有孔狀結構，所以擁有較高的能量儲蓄能力。松質(zhì)骨內(nèi)膠原纖維的排列誠然看似紛亂，但其實不是無序，它是依照主要的受力狀態(tài)沿著柱應力的方向排列，形成優(yōu)化的受力結構，以最少的資料承受最大的外面負載。密質(zhì)骨一般位于骨的外層，松質(zhì)骨位于骨的內(nèi)層。以長骨為例，其骨干是一層厚壁而中空的圓柱體，中央的骨髓腔充滿骨髓，厚壁為密質(zhì)骨；長骨的兩端主要由松質(zhì)骨組成，周圍附以由密質(zhì)骨組成的薄層皮質(zhì)。骨是有生命的器官，這是它與其他工程資料對照的最大的特點。第一，骨的生長、發(fā)育、再造和吸取與其力學環(huán)境親近相關。為了適應不斷變化的力學環(huán)境，骨在不斷地進行結構的適應性改建和塑形。其次，骨的狀態(tài)影響其力學性質(zhì)，比方，新鮮骨經(jīng)過干燥、部分脫水后的干骨對照，拉伸、壓縮強度、彈性模量等參數(shù)都不同樣。干骨應變達到0.4%一般就被破壞了，而新鮮骨的破壞應變可達12%。骨與工程資料對照的第二個特點：骨是非平均的、各向異性的復合資料，骨是由膠原纖維和羥基磷灰石組成的復合資料，表現(xiàn)出不平均性和各向異性。骨所承受的外力來自于自己重力，即地球引力、肌群縮短力、肌張力、外力和各種運動產(chǎn)生的力等。骨的受力有以下幾種基本方式:拉伸力、壓縮力、剪切力、波折力、扭轉力以及復合受力方式。在本次試驗中，主若是研究了骨在波折以及壓縮的受力方式下的力學性能。第一的是骨的波折試驗，骨在與軸垂直方向上受力會產(chǎn)生波折變形，骨的波折實驗比軸向拉伸或壓縮以及剪的確驗困難，由于在波折時的應力有拉應力、壓應力和剪應力，而且它們都是非平均分布的。骨的波折實驗分為整骨（長骨）和試樣兩種。經(jīng)過實驗可測定骨承受波折時各橫截面上的正應力分布、波折強度和撓度。對于長骨的整骨波折實驗，將骨簡化為等厚的橢圓環(huán)行橫截面的直桿。實質(zhì)上任何長骨都木是直的，且橫截面的變化都很大，也不等厚；而且在波折實驗時，將陪同著扭轉，實驗中一般用骨水泥固定骨的兩端（界線夾持），可以減少扭轉效應。由于骨是由密質(zhì)骨、松質(zhì)骨、血液、骨髓等物質(zhì)組成，所以，整骨波折實驗只能反響整骨的抗彎力學性能。骨波折實驗的標準試樣的橫截面多為矩形，試樣長和截面的高和寬的尺寸采用不一，長度10~80mm，寬度2.5~3.6mm，高1.2~2.5mm。實驗條件和方法對測得的波折強度極限、最大撓度和彈性模量等有著不同樣程度的影響。用整骨實驗和骨試樣實驗測得的波折強度極限不同樣，比方對肱骨，整骨實驗的波折強度極限為143.6MPa，而用試樣的實驗結果為195MPa。標準試樣選自同一骨的不同樣部位，測得的波折強度也不同。試樣的方向性對波折強度也有較大的影響，平行于骨軸方向的試樣其波折強度顯著大于垂直于骨軸的試樣。整骨實驗測得人體濕骨的波折力學性質(zhì)，實驗結果表示，波折破壞載荷以股骨最高，而且破壞發(fā)生在波折拉應力一側；波折強度以尺、橈骨最高；彈性模量以股骨最高；最大撓度為腓骨，而在本實驗中，所用資料為豬的肋骨。三點波折實驗是資料性能測試中常采用的一種方法,經(jīng)過該方法可以方便的獲得資料的波折強度和波折模量。實驗表示圖以下：三點波折實驗表示圖壓縮實驗的骨試樣較小，比方，長方體試樣長為5mm，橫截面為1mmx1.3mm。若是新鮮或濕骨試樣置于生理鹽水中，進行拉伸或壓縮實驗。壓縮力在骨內(nèi)產(chǎn)生壓應力和壓應變，骨受壓縮后縮短，壓應變成負值。松質(zhì)骨的拉壓性能遠差于密質(zhì)骨。骨的拉伸、壓縮力學性質(zhì)碰到性別、年齡、取材、部位和方向、骨的狀態(tài)（干或濕骨）、加載速度等因素的影響，在某一范圍變化，且骨的抗拉強度低于抗壓強度。骨的拉伸和壓縮力學性質(zhì)隨著年齡和性其他不同樣而不同樣。以下圖是男女股骨和肱骨強度極限隨年齡的變化圖：從圖中可以看出，除女性15~19歲年齡組外，不同樣性其他骨骼的平均作用強度極限隨年齡增大顯著減?。?0%），極限應變顯著減?。?5%）。不同樣的骨骼，包括肱骨、尺骨、橈骨、股骨、脛骨和腓骨等，所表現(xiàn)的壓縮力學性質(zhì)是不同樣的。下表中是相關肱骨、尺骨、橈骨、股骨、脛骨和腓骨壓縮力學性能的實驗值。性質(zhì)肱骨尺骨橈骨股骨脛骨腓骨壓極限強度（MPa）135117120170162125縮延伸率（%）1.902.002.001.801.902.10彈性模量（GPa）———17.9319.8214.73實驗得出的人濕骨和干骨試樣壓縮實驗結果顯示，干骨切向和徑向壓縮強度極僅為63%和65%，而濕骨分別為82%和89%。濕骨和干骨的力學性質(zhì)不同樣。對于拉伸和壓縮強度特點、彈性模量以及硬度等，干骨均高于濕骨。骨頭的壓縮力學性質(zhì)與加載速率相關。當拉伸實驗中加載速度范圍變化不大時，骨的加載速度對應力一應變關系影響不大，可以忽略不計。但是，若是加載速度足夠大，比方快速沖擊拉伸也許壓縮時，則其應力一應變關系有明顯的變化。同上波折試驗，本次的壓縮試驗中也是用豬的肋骨作為實驗資料。[實驗步驟]波折試驗：（1）測量試樣中間部分的直徑d，測量三點取其算術平均值。（2）依照試樣斷裂的負荷選擇負荷范圍。（3）依照厚度選擇跨度、速度和壓頭。（4）將試樣放于支座上固定，壓頭與試樣應是線接觸，并保證與試樣寬度的接觸線垂直于試樣長度方向。（5）開動實驗機，自動生成實驗報告，包括最大力，抗彎強度，波折彈性模量以及受力變化圖。壓縮試驗：（1）除非產(chǎn)品標準還有規(guī)定，否則試樣應按GB2918進行狀態(tài)調(diào)治實驗。（2）沿試樣高度方向測量三處橫截面尺寸計算平均值。（3）把試樣放在兩壓板之間，并使試樣中心線與兩壓板中心連線重合，保證試樣端面與壓板表面平行。調(diào)整實驗機，使壓板表面恰好與試樣端面接觸，并把此時定為測定形變的零點。（4）依照資料的規(guī)定調(diào)整實驗速度。若沒有規(guī)定，則調(diào)整速度1mm/min。（5）開動實驗機。[實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)辦理]骨頭波折實驗數(shù)據(jù)：試驗方案：金屬波折力學性能試驗方法（三計算標準：GB/T14452-93（三點波折)試樣形狀：板材試驗日期：2013-11-2014:59:40試驗時間：150.266663s試驗速度：5mm/min跨距Ls：60mm試樣寬度b：11.29mm試樣高度h：10.37mm最大力矩形試樣抗彎強度矩形試樣波折彈性模矩形試樣波折彈性模σbb量Eb量Eb單位NMPaMPaMPa試樣1439.52632.5821431.21731431.2173平均值439.52632.5821431.21731431.2173標準誤差0.0000.0000.00000.0000(n)骨頭壓縮實驗數(shù)據(jù)：試樣高度h:13.04mm，樣品直徑d：11.5mm依照骨頭波折壓縮試驗，結果表示：骨頭抗彎強度σ為：32.582MPa,骨頭波折彈性模量E為：1431.2173MPa,骨頭的比率極限σp為:35MPa,其信服應力σs為：38MPa。[談論]在波折試驗中，骨頭的波折彈性模量E為：1431.2173MPa，在受力范圍0~439.526N的范圍內(nèi)，忽略骨頭資料自己的不規(guī)則行所帶來的影響，可以認為，骨頭資料收到的應力—應變成正比率分布，在此范圍內(nèi)，骨頭的彈性模量最大；在達到骨頭受力的最高點時，受力開始下降，這是由于骨頭資料開始出現(xiàn)斷裂的情況，直到此后受力的突然降低到0N，骨頭全部斷裂。由于骨頭資料自己的不規(guī)則形狀，使得骨頭尺寸的測量，骨頭地址的固定都會出現(xiàn)必然程度上的誤差，所以應力—應變曲線其實不是正確的線性曲線，但是在誤差的范圍內(nèi)是允用的。其次，在骨頭壓縮實驗中，骨頭資料的壓縮應力—應變圖并沒有像其他剛性資料的應力—應變