引言

平面雙軸試驗(yàn)已被用于研究與方向相關(guān)的生物組織和材料的力學(xué)性能，它可以探索在兩個(gè)正交方向上施加在近似方形膜狀樣品上的力或位移。可使用縫合線、鉤子和滑輪的力平衡系統(tǒng)(圖1a)或使用CellScale BioRake(圖1b)固定樣品。縫合線-滑輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于模擬施加在試樣邊緣的均勻分布載荷，而BioRake®用于模擬均勻分布的位移。

當(dāng)樣品主軸(通常平行于纖維方向)與測試軸對齊/垂直時(shí)，加載條件很好控制。而試件相對于試驗(yàn)軸的不對準(zhǔn)可能導(dǎo)致試件不受控制的剪切變形和力的變化。

方法

選用各向同性的軟質(zhì)硅橡膠作為試驗(yàn)材料。先單軸測試材料條帶，以確定橡膠的材料性能。20×2×0.5 mm使用定制夾具進(jìn)行位移控制單軸測試。選擇最大施加位移達(dá)到5 N的力。3個(gè)加載-卸載循環(huán)，并使用ANSYS 16.1對最后一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以擬合超彈性O(shè)gden模型。

為制造各向異性的樣品，將橡膠模壓成具有肋狀結(jié)構(gòu)的平面膜(圖2)。肋的尺寸使用輪廓儀測量。試件被切割成與試驗(yàn)軸平行或呈45°的肋。雙軸試驗(yàn)中，平行45°肋的設(shè)計(jì)以減小剪切應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)。

4種實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了測試，包括0和45°肋與縫合線-滑輪和BioRake。在所有條件下，運(yùn)行了一系列9種位移控制方案，以探索試件的各向異性行為。這些方案產(chǎn)生高達(dá)20%的應(yīng)變，X/Y位移比范圍為0.17至6.00。各向異性超彈性材料模型按照詳細(xì)的數(shù)值程序擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在ANSYS中建立了試件的有限元模型，并根據(jù)單軸試驗(yàn)確定了體各向同性超彈性材料的性能。模型包括大約100,000個(gè)十節(jié)點(diǎn)四面體Solid285有限元，適用于幾乎不可壓縮的超彈性材料的大變形。縫合-滑輪系統(tǒng)的模擬是在安裝孔節(jié)點(diǎn)上施加分布力的情況下完成的，同時(shí)限制標(biāo)本中心的多個(gè)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)方向上的移動。BioRake系統(tǒng)的仿真是通過在安裝孔節(jié)點(diǎn)上施加位移條件來完成的，此外，防止樣品每側(cè)的中間孔在垂直于相應(yīng)側(cè)的方向上移動。

結(jié)果

二階Ogden模型能很好地?cái)M合單軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算了所有雙軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。二階Piola-Kirchhoff膜張力由BioTester測得的力得到，Green應(yīng)變由樣品中心區(qū)域紋理表面的數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)得到。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于生成材料模型中的材料常數(shù)。

物理雙軸試驗(yàn)的有限元模擬得到的應(yīng)變圖與等雙軸條件下0和45°結(jié)構(gòu)的DIC數(shù)據(jù)吻合得很好。此外，還可以將物理試驗(yàn)期間施加的位移和產(chǎn)生的力與數(shù)值模擬的相同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在所有實(shí)驗(yàn)條件下，數(shù)值模擬的平均誤差小于10%。

討論

通過縫合線-滑輪和BioRake固定系統(tǒng)的雙軸實(shí)驗(yàn)測試確定的材料模型在模擬真實(shí)條件下的實(shí)驗(yàn)中都是成功的。在雙軸力學(xué)測試中，與BioRake相比，縫合線-滑輪系統(tǒng)使用起來更加困難和耗時(shí)。設(shè)置適當(dāng)?shù)拈L度以確保未變形標(biāo)本的最小張力是具有挑戰(zhàn)性的。掛鉤相對于標(biāo)本的方向是不穩(wěn)定的，需要多次調(diào)整。另一方面，BioRake的分布更均勻，操作也簡單快捷。

結(jié)論

在所有測試方案和儀器配置中，實(shí)驗(yàn)和模擬之間的誤差小于10%，結(jié)合其顯著的易用性，都強(qiáng)烈表明BioRake優(yōu)于縫合線-滑輪。