热烈祝贺南京理工大学课题组取得重要进展团队基于宽应变率区间开展猪肋软骨压缩试验完成软组织动态本构建模相关研究发表 SCI。研究采用 μTS 介观尺度测试系统下称μTS系统和霍普金森杆压力杆系统获取了多组有效试验数据具体可查看下面论文节选。睿拓很荣幸为本次试验提供μTS系统全套设备和技术支持。我方工程师在试验过程中反复调试加载速度与试样的匹配逻辑确保静态区间均可采集有效应变数据规避数据误差最终成功交付精准试验数据。前言肋软骨作为胸腔的缓冲结构在爆炸、冲击和碰撞等多种载荷作用下会承受涵盖广泛应变率范围的机械载荷。研究其在不同应变率下的力学行为并建立精确的本构模型对工程领域具有重要价值。本研究采用与人类解剖结构高度相似的猪肋软骨开展了跨宽泛应变率范围的单轴压缩实验准静态测试采用Psylotech μTs 系统0.001–0.1 s⁻¹动态测试则使用改进型Split Hopkinson压力杆系统1400–4200 s⁻¹并通过高速摄像机记录形变过程。随后通过引入应变率参数建立了改进的五参数多项式超弹性模型及优化版ZhuWang-TangZWT粘弹性本构模型并系统表征了猪肋软骨在不同应变率下的压缩性能特性。结果表明猪肋软骨表现出显著的非线性力学行为及应变率依赖性其弹性模量、压缩应力和断裂应力均随应变率呈双指数增长在准静态条件下断裂应变与应变率呈负相关而在动态条件下则呈正相关。一、准静态单轴压缩试验试验描述由于试样尺寸较小传统万能试验机并不适用。因此本研究采用Psylotech μTs显微镜/扫描电子显微镜原位加载系统进行准静态单轴压缩试验。该系统仅通过位移控制方式运行实验过程中固定试样的一端同时通过滚珠丝杠机构以恒定速度对另一端施加可控位移载荷。设置 0.0025、0.025、0.25 mm/s 三档加载速率结合试样初始高度换算得到工程应变率分别为 0.001、0.01、0.1 s⁻¹。当压缩力相比峰值下降 15% 时停止加载同步记录位移 - 载荷曲线。为保证试验可靠性每种加载速率重复 5 次试验选取 3 组有效试验结果取平均值用于后续分析。图2 准静态与动态压缩试件及其尺寸(a)部分试件(b)试件尺寸试验结果图 3 (a)(b)(c) 为 0.001~0.1 s⁻¹ 不同准静态应变率下猪肋软骨真应力 - 应变曲线。由图 3 (b) 典型曲线可见猪肋软骨具备显著非线性力学响应变形全过程分为 5 个阶段低刚度阶段、压实阶段、高刚度阶段、裂纹扩展阶段、破碎失效阶段。图 3 (d) 统一横坐标尺度直观对比不同应变率力学响应图 3 (a)(b)(c) 保留各自应变范围。应变率由 0.001 提升至 0.1 s⁻¹ 时软骨表观弹性模量显著增大符合组织粘弹性特征低应变率加载时液体流出固体基质承载、刚度偏低应变率升高后液体流动受限间隙液体与固体基质共同承载同时胶原纤维快速参与受力组织刚度进一步提升。由图 3 (d) 定量规律应变率 0.001→0.1 s⁻¹弹性模量由 5.528 MPa 升至 9.369 MPa增幅 69.5%破坏应力由 9.394 MPa 升至 14.101 MPa增幅 50.1%二者与应变率正相关破坏应变由 0.739 降至 0.398降幅 46.1%与应变率负相关。图3 猪肋软骨在准静态压缩下的真实应力-应变曲线二、动态单轴压缩试验试验描述采用改进型分离式霍普金森压杆SHPB试验系统开展动态单轴压缩试验试验装置如图 3 所示。系统由高压气室、波形整形器、撞击杆、入射杆、透射杆、应变片、吸能装置与信号采集仪组成。图4 SHPB测试系统动态压缩设置 4 档应变率 1400~4200 s⁻¹每种应变率重复 5 次试验取 3 组有效试样均值保证结果可靠。 图 5 为测试数据。图5 SHPB 测试数据(a)原始信号(b)应力平衡验证(c)恒应变率验证试验结果图6 猪肋软骨在动态压缩下的真实应力-应变曲线三、结果分析表1 静态与动态单轴压缩实验数据表 1 汇总全部静、动态单轴压缩试验数据包含不同应变率下弹性模量 E、0.15/0.2/0.25 真应变处压缩应力、破坏应力 σ_f、破坏应变 ε_f。数据显示随应变率提升软骨弹性模量、各级压缩应力、破坏应力持续上升破坏应变先降低、后升高。 为定量表征软骨应变率敏感性图 9 绘制弹性模量、压缩应力、破坏应力动态增强因子 DIF 与破坏应变随归一化对数应变率 ln(ε˙∗)变化曲线。DIF 定义为动态参数与准静态基准值之比归一化应变率ε˙∗ 为实际应变率与基准应变率0.001 s⁻¹的比值。图 7 (a)(b)(c)低应变率准静态区间弹性模量、压缩应力、破坏应力 DIF 随应变率增大上升高应变动态区间 DIF 同样持续上升但增幅显著更大变化趋势出现明显转折。通过试验数据拟合得到 DIF 与归一化对数应变率双指数经验公式 (6)拟合参数见表 2。图 7 (d) 破坏应变随应变率呈现先降后升趋势变化速率存在明显拐点。图7 肋软骨中各物理量随归一化对数应变率的变化规律表2 拟合参数材料吸能能力、轻量化工况下抗损伤能力是缓冲防护材料核心评价指标表 3 给出各应变率下吸能密度 W₀.₂0~0.2 应变区间应力 - 应变曲线积分与比强度 S。与工程常用聚氨酯泡沫 PUE55 对比可知高应变率加载下猪肋软骨吸能密度、比强度均具备显著优势同时满足动态防护材料轻量化、高强度一体化需求后续可结合软骨微观结构构建仿生复合材料多尺度模型开发适用于高速冲击压缩工况的高性能缓冲层。表3 不同应变率下猪肋软骨与PUE55材料的能量吸收密度及比强度比较案例摘自【Zheng J, He J H, Peng B, et al. A Study on Compressive Mechanical Properties and Constitutive Characterization of Porcine Costal Cartilage across a Broad Strain Rate Range[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2026, 35: 17027–17043. https://doi.org/10.1007/s11665-025-12815-w.】了解μTS 介观尺度测试系统μTS试验机——来自Psylotech公司的微型材料试验机以独特定位精准覆盖纳米压头与宏观万能加载系统之间的尺度空白μTS介观尺度测试系统——光学显微镜和DIC数字图像相关技术的结合可以满足纳米级精度测量需求。系统兼容性强还可适配光学显微镜、共聚焦显微镜、扫描电子显微镜以及工业CT等多种观测设备搭配多元化专用夹具可完成拉伸、压缩、弯曲、剪切、断裂、混合工况等力学测试精准捕捉材料微观变形、局部应变场演化、裂纹萌生扩展等细微力学行为广泛适用于复合材料、高分子材料、金属微结构、薄膜、涂层、柔性材料等各类新材料的科研测试与性能验证。睿拓可为广大科研院校、企业研发机构、检测单位提供一站式检测服务。无需购置高端设备、搭建专业实验室即可享受高精度、可溯源、标准化的全套测试解决方案。 服务涵盖夹具适配、多工况原位力学加载、显微实时观测、DIC全场位移/应变数据分析、裂纹演化追踪、力学参数测算、测试报告出具等全流程服务。团队实操经验丰富可针对不同材料特性与测试需求定制专属方案。 所得检测数据精度高可有效支撑学术论文发表、科研项目结题、新材料研发迭代、产品性能检测及行业合规验证高效助力材料科学研究与工业产品升级。关于睿拓北京睿拓时创科技有限公司是光测力学一体化解决方案服务商致力于将国际前沿的光测力学技术与解决方案引入中国市场为科研机构、高等院校及广大工业客户在材料研究、产品设计验证、质量控制和失效分析等关键环节提供非接触、全场、高精度的测量洞察力。公司成立于2009年总部位于北京在香港、无锡、沈阳、上海、天津、广州、成都、西安、合肥等地均设有分支机构。是中国首家引进CSI公司VIC-3D系列产品的授权服务商同时深度合作德国ISISE4系统、PsylotechμTS、RX Solutions工业CT、LUNA光纤传感等国际尖端技术厂商拥有一支经验丰富的应用工程师组成的本土化技术支持团队建立了完善的服务体系和全生命周期的技术保障服务客户分布广泛在航空航天、国防军工、能源、船舶、机车、汽车、 土木工程、机械、重型装备、冶金、材料、高校科研院所等领域均有涉及。