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原文传递皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法

专利名称：	皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法
摘要：	本发明涉及一种皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，属于生物力学测试领域。通过带有玻氏压针的纳米压痕仪对打磨抛光的皮质骨试件径向表面呈矩形点阵分布的压痕位置直接压入，直接获得卸载过程的载荷‑位移曲线。通过对载荷‑位移曲线进行最小二乘法拟合，可以得到皮质骨试件的杨氏模量和硬度值。通过MATLAB软件对皮质骨试件中呈矩阵点阵分布的压痕点硬度值与相应位置坐标进行三次样条插值处理，得到试件表面硬度值的平面等高线图。从试件两个径向表面的平面等高线图中可以分别找到一条硬度值最低位置的连线。减小了压缩、拉伸等载荷对皮质骨试件造成的破坏，从而最大限度的保证皮质骨试件的完整性。保证了结果的准确性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	马志超;强振峰;蒋东颖;张红诏;严家琪;杜希杰;马筱溪;张微;卢坊州
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201811547520.9
公开号：	CN109738620A
代理机构：	吉林长春新纪元专利代理有限责任公司
代理人：	王怡敏
分类号：	G01N33/483(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	130000 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：通过获得皮质骨试件的表面硬度值，再通过MATLAB软件获得平面硬度值分布情况，找到硬度值最低位置，并将硬度值最低位置与裂纹扩展路径匹配，实现了对皮质骨试件径向表面裂纹扩展路径的预测，包括以下步骤：步骤（1）切割长方体皮质骨试件；步骤（2）在皮质骨试件的上径向表面开展呈矩阵点阵分布的纳米压痕测量；步骤（3）皮质骨试件的下径向表面开展呈矩阵点阵分布的纳米压痕测量；步骤（4）通过MATLAB对皮质骨上、下径向表面的硬度值进行插值处理，得到硬度值的平面等高线轮廓图，进而预测裂纹扩展路径。 2.根据权利要求1所述的皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：步骤（1）所述的切割长方体皮质骨试件，具体是将从死亡的哺乳动物股骨处获得的皮质骨切割成长方体状，在切割过程中连续在皮质骨试件上喷洒林格氏液，以降低机加工过程中产生的热量对皮质骨试件力学性能的影响；然后打磨并抛光皮质骨试件得到满足纳米压痕仪实验要求的表面。 3.根据权利要求1所述的皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：步骤（2）所述的在皮质骨试件的上径向表面开展呈矩阵点阵分布的纳米压痕测量，具体是将抛光的皮质骨试件下径向表面通过石蜡粘在带有原位观测功能的纳米压痕仪上；纳米压痕仪采用玻氏压针，其等效半锥角为70.32°，作用在皮质骨试件上径向表面的载荷垂直于骨长轴；同时在纳米压痕仪上按照矩阵点阵方式设置的压痕点横向和纵向之间的间距大于压痕直径80倍；呈矩阵点阵分布的一些压痕点会落在皮质骨试件上径向表面的哈弗氏管上，因此使用纳米压痕仪自带的光学显微镜观察每一个压痕点位置，对于落在哈弗氏管上的压痕点的理论位置进行校正，校正时需在距离原压痕点位置30倍最大压入深度范围内寻找实际位置以减小位置偏差造成的数据误差；对位置调整后的压痕点直接压入，并直接获取被测位置加载和卸载过程中的载荷-深度曲线，即实测曲线，对卸载曲线采用最小二乘法确定出拟合参数，得到皮质骨试件的上径向表面的杨氏模量和硬度值。 4.根据权利要求1所述的皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：步骤（3）所述的皮质骨试件的下径向表面开展呈矩阵点阵分布的纳米压痕测量，具体是将皮质骨试件从纳米压痕仪上取下，将与纳米压痕仪接触的皮质骨试件下径向表面打磨抛光，对打磨抛光处理后的皮质骨试件的下径向表面重复步骤（2）的操作，以获取皮质骨试件的下径向表面的杨氏模量和硬度值数据。 5.根据权利要求1所述的皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：步骤（4）所述的通过MATLAB对皮质骨试件上、下径向表面的硬度值进行插值处理，得到硬度值的平面等高线轮廓图，进而预测裂纹扩展路径，具体是将通过步骤（2）及步骤（3）测得的皮质骨试件的杨氏模量、硬度值与其位置坐标按照对应关系导入MATLAB软件中，使用三次多项插值获得硬度值的平面等高线图；在皮质骨试件两个压痕表面的平面等高线图中分别可以找到一条硬度值最低区域的连线，该连线便是两个表面上裂纹扩展路径的位置，并且裂纹扩展路径的起点位于皮质骨试件的边缘位置；当从皮质骨试件边缘裂纹硬度值最低的区域扩展时；如果裂纹扩展的下个位置有多个硬度值最低的区域，则皮质骨试件边缘硬度值最小区域的切线方向所指向的区域为裂纹扩展所经过的硬度值最低的区域，如果除边缘硬度值最小的区域以外，裂纹扩展的下个位置有且仅有一个硬度值最低的区域，则裂纹沿着硬度值最低点的连线扩展。 6.根据权利要求1所述的皮质骨径向表面裂纹扩展路径的预测方法，其特征在于：在对皮质骨试件表面进行呈矩阵点阵状分布的压痕的实验中，可降低因机加工在皮质骨试件表面产生的残余应力。
所属类别：	发明专利