脂肪肌肉复合组织力学特性及本构模型研究

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随着现代汽车工业以及道路交通建设发展,我国私人汽车保有量维持较高水平,截止到2020年,保有量已达2.8亿辆;与此同时,国内交通整体形势依旧严峻,平均每年交通事故数量达20余万起,死亡人数6万余人,直接财产损伤达10多亿元,交通安全急需深入研究。就目前研究状况而言,在汽车安全领域,乘员碰撞损伤准则及乘员保护装置主要基于50百分位假人模型制定,近年来肥胖人口比例明显增加,基于标准体型的乘员损伤标准和保护装置对肥胖乘员是否仍然适用值得探讨。此外,隶属于深层组织损伤(DTI)的深压疮(DPS),作为一种危及生命、治疗昂贵、常见的并发症,会导致皮肤、皮下脂肪组织和横纹肌肉坏死,常发生于卧床、轮椅患者。导致DPS产生的深层组织内应力应变分布也是一个研究的热点。对脂肪肌肉复合组织性能的研究不仅可以从理论上有效地预测道路交通事故中人体受冲击时的受力情况,从而促进交通事故中人体损伤防护装备更新,提升肥胖人群碰撞损伤防护水平,实现汽车主被动安全设备优化,完善法医学鉴定中损伤成因机制;还能帮助我们了解深压疮(DPS)的预防治疗,为脂肪或肌肉类仿生材料的研制提供力学参考。本文以脂肪肌肉复合组织为主要研究对象,采用施加载荷类似于体内载荷的压痕试验方法对脂肪肌肉复合组织进行力学特性研究,研究内容和研究结论概括如下:(1)研究球形压头半径对脂肪肌肉复合组织压痕响应力学性能的影响程度。研究发现,以球形压头半径为唯一实验变量,压头尺寸对脂肪肌肉复合组织压痕力学特性有明显影响。实验结果表明,压头半径与峰值载荷成正比,球形压头半径越大,峰值载荷越大。压头半径与剪切模量成反比,压头半径半径越大,测得剪切模量越小。(2)研究肌肉纤维走向对脂肪肌肉复合组织力学性能的影响。研究发现,以肌肉纤维走向为唯一实验变量,沿肌肉纤维走向与垂直肌肉纤维走向情况下,复合组织压痕实验的力学响应几乎一致,肌肉纤维走向对复合组织压痕力学实验无显著影响。(3)研究加载速率对脂肪肌肉复合组织性能的影响,探索复合组织压痕力学响应对加载速率的敏感度。研究发现,复合组织压痕实验中,以加载速率为唯一实验变量,所测得剪切模量随加载速率递增而呈递增趋势,加载速率越大对应的剪切模量越大。其中,短效剪切模量增量(?)大于长效剪切模量增量(?)。(4)研究脂肪组织与脂肪肌肉复合组织压痕试验力学响应差异。研究发现,以试样类型为主要实验变量,加载速率为次要实验变量,脂肪组织与脂肪肌肉复合组织压痕试验力学响应存在明显差异。相同加载速率条件下,脂肪肌肉复合组织性能参数整体小于脂肪组织性能参数。不同加载速率条件下,复合组织和单一脂肪组织性能参数都与加载速率成正比。(5)研究重复加载后脂肪肌肉复合组织力学特性衰减规律。研究发现,以加载次数为唯一实验变量,随着加载次数增多,复合组织力学性能持续衰减,剪切模量呈递减趋势,但趋势明显放缓。短效剪切模量GS衰减值明显大于长效剪切模量GL值,即ΔGS>ΔGL。粘弹性贡献比c(%)呈下降趋势,随着加载次数的叠加,粘弹性贡献比下降趋势增快。(6)研究粘弹性本构模型。基于数学建模便利性、实验契合度、视觉效果友好性三个原则,选择Zener、DM、GM模型对脂肪肌肉复合组织压痕实验的剪切模量松弛函数进行曲线拟合。在原则评判标准下,对拟合结果进行评价,选择最合适表征复合组织的粘弹性模型。结果显示,数学建模便利性上,Zener模型>DM模型>GM模型,视觉友好性上,DM模型=GM模型>Zener模型,实验契合度上,DM模型=GM模型>Zener模型,综合而言,DM模型相较Zener模型和GM模型更适合于表征肌肉脂肪复合组织粘弹特性。
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