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，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個加載-卸載循環(huán)，并使用ANSYS 16.1對最后一個循環(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，同時限制標(biāo)本中心的多個節(jié)點(diǎn)在各個方向上的移動。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。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。