• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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杨钦侠, 张泳柔, 任清非, 胡玲玲. 冲击荷载下皮质骨的动态力学特性与断裂机制[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0309
引用本文: 杨钦侠, 张泳柔, 任清非, 胡玲玲. 冲击荷载下皮质骨的动态力学特性与断裂机制[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0309
YANG Qinxia, ZHANG Yongrou, REN Qingfei, HU Lingling. Dynamic Mechanical Properties and Fracture Mechanism of Cortical Bone Under Impact Loading[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0309
Citation: YANG Qinxia, ZHANG Yongrou, REN Qingfei, HU Lingling. Dynamic Mechanical Properties and Fracture Mechanism of Cortical Bone Under Impact Loading[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0309

冲击荷载下皮质骨的动态力学特性与断裂机制

doi: 10.11883/bzycj-2025-0309
基金项目: 国家自然科学基金(2472400);国家自然科学基金(12172388);

Dynamic Mechanical Properties and Fracture Mechanism of Cortical Bone Under Impact Loading

  • 摘要: 皮质骨作为人类和许多脊椎动物骨骼系统的核心承重单元,日常活动中常因冲击荷载而面临断裂风险。现有研究多集中于准静态荷载下的断裂行为,却未能充分考虑皮质骨应变率敏感性对其断裂机制的潜在影响。为此,借助万能试验机和分离式霍普金森压杆装置对鸡股骨皮质骨开展了准静态(0.001 s-1)与动态(350 s-1和700 s-1)单轴压缩实验,结合数字图像相关技术获取全场应变分布,并利用扫描电镜观察断裂微观形貌,分析了应变率对断裂行为的影响。实验结果表明,皮质骨的破坏应力随应变率升高成非单调变化,在0.001 s-1、350 s-1和700 s-1下平均值分别为99.6MPa、195.5MPa和171.3MPa,表现出“先增后降”的趋势,断裂应变也有类似趋势。在准静态加载下,试样宏观裂纹路径与最大切应变区域一致,断裂面呈现层状剥离和大量碎屑等典型剪切破坏特征,表明准静态下皮质骨的断裂机制由剪切应变主导;而在动态加载下,宏观裂纹更倾向于与最大拉应变区域吻合,断裂面较为光滑,呈现典型拉伸断裂形貌,表明动态条件下拉应变起主导作用。说明应变率通过调控破坏诱导因素对破坏机制产生重要影响,这可能是动态条件下皮质骨破坏应力变化的关键原因之一。本研究从宏-微观关联角度揭示了皮质骨断裂机制随应变率由剪切主导向拉伸主导的转变,为理解骨骼在冲击荷载下的断裂机理提供实验依据,也为骨仿生材料设计与骨科防护装备开发提供了参考。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-23
  • 网络出版日期:  2026-02-13

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