[發明專利]測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置與方法

在審

• 申請號: 202010879028.2
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112051164A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 武曉剛;孫玉琴;李朝鑫;秦迎澤;段王平;李鵬翠;張美珍;郭媛;郭紅梅;王艷芹;衛小春;陳維毅
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/303
• 分類號: G01N3/303;G01N3/06
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開了一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置與方法。該裝置包括：均質方形鐵塊、固定均質方形鐵塊的夾持器、穿刺針體或刀片、盛放試樣的裝置、以及高速攝像機。穿刺針體或刀片以自由落體的方式穿刺切割軟物質材料，利用高速攝像機的拍攝結果計算兩次穿刺切割實驗針體或刀片剛穿透試樣底部時的速度，通過計算兩次實驗耗散能量的差值便得出斷裂耗散的能量。該方法簡單有效，有望應用到防彈防穿刺等穿戴護具或者特種安全裝備評價測試領域。

技術領域

本發明涉及一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置與方法，屬于材料性能測試技術領域。

背景技術

不管是從事高危行業的的人群，還是普通公眾都有可能在日常生活中面臨銳器或者鈍器的傷害。比如刀具跌落在腳上，這需要鞋子的制作材料具有較好的防刺穿或切割性能。但是材料在動態載荷(使材料產生較大的應變速率)下的性能和變形行為與準靜態下有很大區別。隨著加載速率的增加，材料的強度和非彈性變形都可能會增加，這使得研究材料的動態穿刺性能具有重要意義。材料的斷裂能是評價防護材料的重要指標，然而由于軟物質材料具有自組織行為和非線性響應等復雜特性，現階段缺乏表征軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的方法。

發明內容

本發明旨在提供一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置與方法，該方法簡單有效，有望應用到防彈防穿刺等穿戴護具領域或者特種安全領域。

本發明中，從能量的角度出發，發明了一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的方法和裝置。針體或刀片以自由落體的方式穿刺切割軟物質材料，利用高速攝像機的拍攝結果計算兩次穿刺切割實驗針體或刀片剛穿透試樣底部時的速度，從而得出兩次實驗分別耗散的能量，針體或刀片兩次釋放在同一高度初始勢能相等。由于第二次穿刺切割中沒有斷裂行為的發生只有摩擦損耗，通過計算兩次實驗耗散能量的差值便得出斷裂耗散的能量。

本發明提供了一種測試軟物質材料在動態穿刺或切割下斷裂能的裝置，包括：均質方形鐵塊、固定均質方形鐵塊的夾持器、穿刺針體或刀片、盛放試樣的裝置以及高速攝像機。

穿刺針體或刀片固定在均質方形鐵塊上，然后將方形鐵塊和針整體固定在一定高度，固定高度要求能穿透試樣，但不宜太高導致下落軌跡偏離豎直方向，針尖與試樣頂部距離應在0.2～1m范圍內。固定均質方形鐵塊的夾持器是電動控制的平行機械手，由基座和手爪組成；通過外部舵機可控制左右兩個手爪在基座表面滑動，使方形鐵塊夾緊或釋放。盛放試樣的裝置由一個扁平的大圓盤和兩個長圓柱體焊接而成，左右兩個長圓柱體用來支撐扁平圓盤，圓盤中心又挖有圓形凹槽，在凹槽內放置試樣且圓形凹槽底部有孔允許穿刺針體或刀片穿過。高速攝像機位于盛放試樣裝置的側面且與其保持同一水平高度。

進一步地，穿刺針體或刀片和均質方形鐵塊整體固定在一定高度上，釋放該整體使其垂直落下；針垂直下落后穿過盛放試樣裝置的凹槽底部圓孔的圓心。

用于穿刺的針體或刀片相對于軟材料有足夠的剛度，針體和刀片能夠穿透試樣且穿刺過程中不產生彎曲和變形，針體為實心的柱形不銹鋼針，刀片為未開刃的SK2剛性刀片。刀片的尖端形狀是矩形、直角三角形、梯形或等腰三角形中的一種。

所述高速攝像機為FASTCAMSA-Z，鏡頭設置為5000幀，像素為1024×1024。

待測軟組織試件如但不限于水凝膠、柔性墊、軟骨、跟腱、皮膚、血管，肝臟中的一種。所述試件為一個軟材料的薄圓形試件。

穿刺針體或刀片通過膠水固定在均質方形鐵塊表面，試樣放在盛放試樣裝置的圓形凹槽內，以免穿刺過程中發生移動。

本發明提供了一種測試軟物質材料在動態穿刺下斷裂能的方法，當穿刺工具為柱形針時包括以下步驟：

(1)測量均質方形鐵塊的質量m₁；