生物软组织动态力学特性研究

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为了研究人体受到高速冲击(车辆、钝器、子弹、爆炸冲击波等)时的力学响应,需要对生物软组织材料进行动态力学测试,但是由于其非常柔软且部分组织各向异性的特性,无论是在制样还是在动态冲击下的力学性能测试都非常困难。本文主要以实验为主,探究对生物类软组织材料进行动态力学测试适用可行的方法,得到猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪的力学性能参数,并建立相应的本构模型。为了使实验结果更加科学合理,首先采用新鲜的猪胸腹部组织作为实验材料,使用不同规格的切片机进行制样并将试样存放在Krebs溶液中待用。再使用MTS材料试验机分别对猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪进行准静态的拉伸和压缩实验,得到其在低应变率情况下的应力应变曲线。为了探究对生物软组织材料进行动态压缩测试适用可行的方法,使用10℃下20%质量分数的弹道明胶作为试样来暂替生物软组织材料,分别采用3种基于霍普金森压杆的改进方法分别对其动态压缩力学特性进行测试,对比3种方法的优缺点。根据实验结果对比得知,使用PVDF压电薄膜传感器的测试方法可以较好的获取弹道明胶的动态力学特性。在此基础上,使用PVDF压电薄膜传感器对猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪进行动态力学测试,得到其在高应变情况下的应力应变曲线。根据应变率相关本构模型的理论,在已得到的实验结果之上,首先分别对几种超弹性本构模型进行拟合,归纳出每种模型对相应材料的适用性。然后分别对肌肉在两个方向下的应变率相关本构模型进行拟合,并对脂肪和皮肤组织进行各向同性应变率相关本构模型进行拟合,得到的拟合结果基本都能较好地描述各生物软材料的应变率效应。
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