骨的力学性质实验：弯曲与压缩.docx

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1、《生物力学》课程实验报告学院：专业：年级：实验人姓名：学号：同组实验人姓名：日期：室温：相对湿度：骨的力学性质实验：弯曲与压缩[实验目的]1、了解熟悉材料弯曲、压缩的测试条件、测试原理以及操作；2、通过对骨头的弯曲以及压缩试验，进一步了解骨头材料的力学性能。[仪器用具]骨头，游标卡尺，钢尺，三点弯曲试验机，压缩试验机[原理概述]骨的主要成分是有机质、无机盐和水。在干骨中有机质占重量的35%，无机盐占65%，但在湿骨中，有机质约占其重量的22%，无机盐占46%，水占32%。骨内的有机质主要包括胶原纤维，无定形基质和三种骨细

2、胞。胶原纤维由胶原蛋白分子组成，占骨内有机质的90%。无定形基质约占骨内有机质的10%，其主要成分为糖—蛋白质复合物。骨内有机物除了胶原纤维和无定形基质以外，还有四种骨组织细胞:骨祖细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。这四种细胞在不同的生物力学环境中能相互转化，互相配合而吸收旧骨质，产生新骨质。就密度而言，骨可以分为密质骨和松质骨，密质骨和松质骨是两种疏松度差别很大的材料，所谓疏松度是指骨骼内非矿化（非骨性）组织所占的比例。密质骨的疏松度为5%~30%，而松质骨则为30%~90%。两者的力学性能差异很大。首先，密质骨强度高

3、，但变形能力差，变形超过2%就会产生断裂；松质骨强度低但变形可达7%左右，其次，由于松质骨具有孔状结构，因而具有较高的能量储存能力。松质骨内胶原纤维的排列虽然看似纷乱，但并非无序，它是根据主要的受力状态沿着柱应力的方向排列，形成优化的受力结构，以最少的材料承受最大的外部负载。密质骨一般位于骨的外层，松质骨位于骨的内层。以长骨为例，其骨干是一层厚壁而中空的圆柱体，中央的骨髓腔充满骨髓，厚壁为密质骨；长骨的两端主要由松质骨组成，周围附以由密质骨构成的薄层皮质。骨是有生命的器官，这是它与其他工程材料相比的最大的特点。首先，骨的

4、生长、发育、再造和吸收与其力学环境密切相关。为了适应不断变化的力学环境，骨在不断地进行结构的适应性改建和塑形。其次，骨的状态影响其力学性质，例如，新鲜骨经过干燥、部分脱水后的干骨相比，拉伸、压缩强度、弹性模量等参数都不同。干骨应变达到0.4%一般就被破坏了，而新鲜骨的破坏应变可达12%。骨与工程材料相比的第二个特点：骨是非均匀的、各向异性的复合材料，骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料，表现出不均匀性和各向异性。骨所承受的外力来自于自身重力，即地球引力、肌群收缩力、肌张力、外力和各种运动产生的力等。骨的受力有以下几种

5、基本方式:拉伸力、压缩力、剪切力、弯曲力、扭转力以及复合受力方式。在本次试验中，主要是研究了骨在弯曲以及压缩的受力方式下的力学性能。首先的是骨的弯曲试验，骨在与轴垂直方向上受力会产生弯曲变形，骨的弯曲实验比轴向拉伸或压缩以及剪切实验困难，因为在弯曲时的应力有拉应力、压应力和剪应力，而且它们都是非均匀分布的。骨的弯曲实验分为整骨（长骨）和试样两种。通过实验可测定骨承受弯曲时各横截面上的正应力分布、弯曲强度和挠度。对于长骨的整骨弯曲实验，将骨简化为等厚的椭圆环行横截面的直杆。实际上任何长骨都木是直的，且横截面的变化都很大，也

6、不等厚；而且在弯曲实验时，将伴随着扭转，实验中一般用骨水泥固定骨的两端（边界夹持），可以减少扭转效应。由于骨是由密质骨、松质骨、血液、骨髓等物质组成，因此，整骨弯曲实验只能反映整骨的抗弯力学性能。骨弯曲实验的标准试样的横截面多为矩形，试样长和截面的高和宽的尺寸选取不一，长度10~80mm，宽度2.5~3.6mm，高1.2~2.5mm。实验条件和方法对测得的弯曲强度极限、最大挠度和弹性模量等有着不同程度的影响。用整骨实验和骨试样实验测得的弯曲强度极限不同，例如对肱骨，整骨实验的弯曲强度极限为143.6MPa，而用试样的实验

7、结果为195MPa。标准试样选自同一骨的不同部位，测得的弯曲强度也不同。试样的方向性对弯曲强度也有较大的影响，平行于骨轴方向的试样其弯曲强度显著大于垂直于骨轴的试样。整骨实验测得人体湿骨的弯曲力学性质，实验结果表明，弯曲破坏载荷以股骨最高，而且破坏发生在弯曲拉应力一侧；弯曲强度以尺、桡骨最高；弹性模量以股骨最高；最大挠度为腓骨，而在本实验中，所用材料为猪的肋骨。三点弯曲实验是材料性能测试中常采用的一种方法,通过该方法可以方便的获得材料的弯曲强度和弯曲模量。实验示意图如下：三点弯曲实验示意图压缩实验的骨试样较小，例如，长方

8、体试样长为5mm，横截面为1mmx1.3mm。若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。松质骨的拉压性能远差于密质骨。骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉