皮质骨的断裂韧度测试技术研究

【摘要】：骨骼的应力疲劳与断裂是一个很严重的问题。老年人很容易患骨质疏松症,而一些年轻的运动员也经常受应力性骨折的困扰。因此,很有必要对骨骼的断裂问题作深入的研究。研究骨骼的断裂问题经常采用断裂力学方法,研究表明断裂力学可以很好的评价骨骼的断裂行为。而断裂韧性很好的表征了骨骼抵抗断裂的能力,因此有很多学者测量了骨骼的断裂韧度,并且对骨骼的断裂行为作出了评价。对于材料断裂韧度的测量,ASTM制定了相应的标准。但是由于受到人或动物的皮质骨的尺寸小,和形状的不规则的限制,实际从人或动物的皮质骨中加工的试件并不能满足ASTM标准,因此用ASTM标准提供的公式测量骨骼的断裂韧度是不准确的。在这种情况下,我们利用数值方法研究了一种在断裂力学实验中经常使用的,但是几何形状和尺寸不符合ASTM标准的紧凑拉伸试件,推导了其断裂韧度的测量公式。为了验证我们所建立的测量公式的正确性,我们用同样的数值方法研究了试件尺寸严格满足ASTM标准的紧凑拉伸试件的断裂韧度。结果表明我们所用的数值方法的误差小于1.5%,这说明我们所建立的方程是正确的。另外,我们用牛的皮质骨做了实验,用我们所建立的方程,结合数字图像相关法研究了牛的皮质骨的断裂韧性,结果与文献中的一致。这也说明了用我们所建立的测量公式研究骨骼的断裂力学性质是正确的,有效的。