摘 要：水下爆炸或者陆地触雷爆炸时，人下肢骨骼极易损伤，为研究冲击载荷作用下股骨、胫骨的动态力学性能以及它们不同部位动态力学性能的分布规律，利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）分别对股骨、胫骨的不同部位进行不同应变率下的动态压缩实验。分别得到股骨和胫骨不同部位在不同应变率下的压缩变形情况以及应力应变曲线，进一步得到它们在冲击压缩下的抗压强度。研究表明：股骨，胫骨都对应变率具有较大的依赖性；在冲击压缩条件下，股骨和胫骨动态力学性能都表现出两端较弱，中部较强的分布规律，该研究成果对以后提高人体的抗冲击能力，加强人体冲击伤的救治与防护具有一定参考价值。
关键词：股骨；胫骨；分离式霍普金森压杆；冲击压缩
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）10-0063-05
Abstract： Lower limbs of human beings are very easy to be injured by underwater or land mine explosion. This research attempts to understand the femur and shank’s dynamic properties and dynamic mechanical distribution law of their different parts under shock load. This paper uses split-Hopkinson pressure bar （SHPB） to conduct dynamic compressive test on femur and tibia under different strain rates for the purpose of acquiring compression deformation and stress-strain curve thereof and further acquiring compressive strength under compact impression. Research shows femur and shank have highly dependency on strain rate and they also demonstrate a strong central distribution along with two weak ends in the aspect of dynamic mechanical properties. This research has practical value to impact resistance and injury’s treatment and prevention.
Keywords： femur； tibia； SHPB； shock compression
0 引 言
骨是一种各向异性、非均质的复合材料，并具有粘弹性性能。在海战中，舰艇遭受来自水雷、鱼雷等水下武器非接触爆炸作用时，会产生强烈舰艇冲击运动，尤以垂直向上的冲击最为严重，会造成舰艇人员冲击伤，对于站立的舰艇人员来说，主要造成下肢骨骼和软组织损伤[1-2]。在陆战中，地雷爆炸对装甲车中人员造成地雷冲击损伤，主要表现为粉碎性骨折、肢体离断等，其损伤程度与下肢骨骼在冲击压缩下的力学性能有密切关系。因此，研究下肢骨骼在冲击载荷作用下的动态响应具有重要意义。
近年来，分离式霍普金森压杆（SHPB）技术开始应用于测试骨头等脆性材料的动态力学性能，同一根骨的不同部位，由于功能不同，结构与形状也不同（如股骨干与股骨头）。这种“形状—功能”之间的关系是了解骨的材料性能及骨的功能的关键。但多数研究者只是在骨干处截取一定尺寸的立方体或者长方体，没有保留骨髓，没有保留骨头原始的截面形态，而骨头无论在形态结构上或者力学性能上都是不均匀的，所以已有研究不能很好评估下肢骨真实耐受水平。在本文中，以猪的股骨、胫骨作为研究对象，在试件制备过程中保留骨髓，保留了骨头的原始截面形态。利用SHPB分别对股骨的不同部位和胫骨的不同部位进行了两种不同应变率下的动态压缩实验，得到应力应变曲线，探讨冲击载荷作用下股骨、胫骨的抗压强度以及不同部位抗压强度的分布规律。
1 试件制作
猪有着人类相当的皮质骨、松质骨结构，并且重建机理也与人类特别相近，在爆炸冲击下，人体的下肢（包括股骨、胫骨、距骨、腓骨、跟骨）是极易发生冲击损伤的部位，所以最终确定使用猪的胫骨、股骨作为实验材料。为了保证实验结果的有效性和重复性，所选取的股骨、胫骨都是从12个月左右的成年活猪身上取下的新鲜骨头，并在24 h之内完成实验，以保证骨结构中的水分以及钙等各种成分保存相对完整[3]。首先将骨上肌肉等软组织去除干净，然后在车床上进行试样加工，在加工时采用低切削速率和不断的液体冷却来防止骨过热。沿轴向分段取样[4]，并且保证试样两端的平行度和轴线与端面的垂直度，如图1所示。综合考虑SHPB实验过程中试件惯性效应、摩擦效应和二维效应的影响，最终确定所有试样的厚度均为11 mm。股骨、胫骨所制备的试件如图2所示。
2 实验方法与方案
2.1 实验方法
全部试件在SHPB上进行冲击压缩实验，实验中入射杆和透射杆均采用铝杆，直径为37 mm、激发装置采用气体驱动，基于实验成本以及安全性的考虑，使用的驱动气体是氮气。在实验中，通过应变片对入射波、反射波以及透射波进行测量，其中贴在入射杆上的应变片为电阻应变片，它的灵敏系数为2；由于透射信号比较小，所以贴在透射杆上的应变片为半导体应变片，它的灵敏系数为110。电阻应变片距离试件有两倍子弹长度，这样可以避免入射波和反射波重叠[5-6]；半导体应变片和试件之间的距离与电阻应变片和试件的距离一致。这两组信号经放大后由瞬态波形存储器记录。
在测量骨头动态力学性能时，如果SHPB直接加载，应力波会因为撞击产生高频分量；并且对于骨头这种脆性材料，需要更长的时间达到应力平衡，而应力波上升沿时间较短，难以在这段时间达到应力平衡；因此，为保证加载过程中试件处于均匀受力和恒定应变率变形，需要在装置中加入波形整形器[7-8]。
整形器的材料、尺寸的选择与试件的材料和所要达到的应变率密切相关，本文在入射杆撞击端粘贴了一组整形器，该整形器是由医用胶带和卡纸组成，卡纸的厚度0.075 mm，医用胶带为6层。图3为不加整形器的波形，图4为加上整形器后的波形。
可以看出，采用整形器以后，原来加载波中由于直接碰撞引起的高频分量被过滤掉，这样减少了波在长距离传播中的弥散失真；同时，入射波的上升前沿变得平缓，上升时间明显增加，实现恒定应变率加载，试件也处于均匀受力状态，测试结果的精确度得到提高。由实验得到入射波εi、反射波εr和透射波εt，根据一维应力波理论，可以导出冲击压缩载荷作用下试样的应力、应变和应变率随时间的变化关系。并且可以通过处理得到试件的应力应变曲线，通过曲线进而能得到胫骨、股骨不同部位的抗压强度。
2.2 实验方案
为了得到胫骨、股骨不同部位纵向在两种不同应变率下的动态力学性能，实验分别取新鲜的猪胫骨、股骨8根，每一根胫骨可以制备7个试件，胫骨从靠近膝关节的一端开始编号，为1#～7#，一共56个胫骨试件，实验根据应变率分为两组，应变率分别为400 s-1和700 s-1。每一根股骨可以制备6个试件，股骨也从靠近膝关节的一端开始编号，为1#～6#，一共48个股骨试件，实验根据应变率分为两组，应变率分别为400 s-1和800 s-1。
3 实验结果
3.1 胫骨不同部位在不同应变率下的力学性能
在实验过程中，虽然加载条件一致，但很难保证获得完全一致的应变率，所以将应变率分为两个区间，390～412 s-1，679～720 s-1。当应变率在390～412 s-1区间内时，在实验过程中，发现试件1#，2#，5#，6#，7#粉碎，如图5（a）所示。而试件3#、4#只是出现了裂纹，如图5（b）所示。当应变率在679～720 s-1区间内时，所有的试件都被撞击粉碎。
胫骨不同部位的应力应变曲线如图6、图7所示。在得出应力-应变曲线中，曲线上升的最高点相当于骨骼的强度极限，由此可以得出胫骨不同部位的抗压强度沿轴向的变化趋势，如图8、图9所示。
可以看出，胫骨的抗压强度沿轴向的分布规律为：中部强度最大，两端较小，并且靠近关节的一端的强度要小于另一端。在应变率为400 s-1时，胫骨抗压强度最大为157 MPa，当应变率为700 s-1时，抗压强度最大为229 MPa，所以当应变率提高时，抗压强度也有所提高，说明胫骨的力学性能依赖于应变率。
3.2 股骨不同部位在不同应变率下的力学性能
在实验过程中，同样将应变率分为两个区间，分别为380～410 s-1、790～810 s-1。在应变率区间为380～410 s-1时，试件1#，2#，5#，6#被撞击粉碎，如图10（a）所示，而试件3#、4#出现裂纹，如图10（b）所示。在区间为790～810 s-1时，所有的试件都被撞击粉碎。
股骨不同部位的应力应变曲线如图11、图12所示。
在得出应力-应变曲线中，曲线上升的最高点相当于骨骼的强度极限，由此可以得出股骨不同部位的抗压强度沿轴向的变化趋势，如图13、图14所示。
可以看出，股骨的力学性能的分布规律与胫骨一致，它的抗压强度呈现出两端较弱，中部强的规律，并且是不对称分布，靠近关节一端的抗压强度略低于另一端。当应变率为400 s-1时，股骨强度最高为160 MPa，当应变率为800 s-1时，强度提高为192 MPa。可以看出，当应变率提高时，股骨的强度也有所提高，说明股骨的强度特性依赖于应变率，即与应变率相关。
4 分析与讨论
股骨、胫骨在冲击载荷作用下的力学响应沿其轴向呈现出两端弱、中部强的分布规律。股骨、胫骨的分布规律与它们的构成有密切关系，这些长骨的两端主要是由松质骨组成，是强度弱的地方，而中部主要是由致密而坚硬的皮质骨组成[9]，因此两端抗压强度小于骨干部位。另一方面，股骨、胫骨都是上端（靠近关节的一端）膨大[10]、下端细小，当受到压缩时，两端比中部更容易变形，所以股骨、胫骨都表现出抗压强度两端弱、中部强的规律。并且，胫骨、股骨的极限强度接近。
5 结束语
通过一系列猪下肢骨的冲击压缩实验，可以得到以下结论：1）股骨、胫骨的力学性能呈现中部强，两端弱的特点；2）股骨、胫骨抗压强度对应变率具有明显的依赖性，即与应变率相关[11]。为了深入研究猪下肢骨在冲击载荷下的力学响应，还需进一步的实验。本文通过猪下肢骨冲击压缩实验的初步研究分析，可以了解到猪下肢骨的基本力学特性，对研究人体下肢骨有一定的参考作用，针对水下爆炸、陆地触雷爆炸所造成的损伤事故，可以提出合理的保护措施。
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（编辑：莫婕）