生物力学物质的粘弹性全解课件.ppt
第三章 物质的粘弹性,被研究的对象：,第一节 引言,在外力作用下：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,实际的可变形的物体,会变形乃至断裂,外力作用,形变,屈服,断裂,可变形的物体,一、变形的大小,与作用在物体上的外力有关(F),与材料的力学性质有关(E G),与物体的几何尺寸有关(S),二、变形的本质(微观）,由于在外力作用下，组成物体的各个微粒间的相对位置发生了变化。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如：外形 晶格点阵 细胞膜物质等,三、变形的性质,弹性：,塑性：（范性）,除去引起变形的外力后，能即刻恢复它原有形状和大小。,除去引起变形的外力后，不能或不能即刻恢复它原有形状和大小。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,完全弹性体 部分弹性体 非弹性体,四、变形的种类,（一）线变形,（二）切变形,（三）扭转变形（切变形的一种）,（四）弯曲变形（线变形的一种）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,受大小相等、方向相反、作用力与作用面垂直的一对力的作用而发生的形变。,（一）线变形（正变形）,表现为长度拉伸或缩短。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）切变形（剪切变形）,受大小相等、方向相反、作用力与作用面相切的一对力的作用而发生的形变。,表现为两个面发生错动。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,实验中看出：,说明：,2.各纵线都倾斜了一角度，矩形变成平行四边形。,1.横截面仍为平面,各圆周线大小、形状、间距不变，只是绕轴转过了不同角度。,无正变形，有切变形。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）扭转变形（切变形的一种）,表现为两个截面绕轴相对转动。,受大小相等、转动方向相反、作用力与作用面相切的一对力偶的作用而发生的形变。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,扭转形变,实验中看出：,说明：横截面仍为平面（平面假设）。,2.纵线为曲线，靠近底部变长，靠近顶部变短。,1.根据变形连续性可知，中间必有一层中性层、中性轴。,2.靠近底部被拉伸，靠近顶部被压缩，同一高度处伸长或缩短相等。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）弯曲变形（线变形的一种）,1.横线仍为直线，只转过一角度，但仍垂直于纵线。,受拉力、压力作用而产生的形变。,表现为杆件由直线变为曲线。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,弯曲形变,一、物体的应力和应变及其关系,（一）外力、内力、应力,II,内力,外力,第二节 物质的弹性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,内力-外力作用物体使物体发生形变，其内部各部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用力称内力。,单位截面上的内力,-应力,单位：Pa,机动 目录 上页 下页 返回 结束,实验：以截面为圆形的橡胶棒为例,1、正应力,作用面积:S,公式：,(1),(2),语言定义：,单位：,(3),(5),点应力：,2、切应力,(4),分解：正应力、切应力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、正应变(线应变）,正应变：,绝对伸长:x，y,正应变：,切应变（角应变）：,2、切应变(剪切应变、角应变）,（二）应变,倾斜角度:,y,公式：,(1),(2),语言定义：,单位：无,(3),机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）应力与应变关系,公式：,(2),生物力学意义：,切变模量,弹性模量,刚度抵抗负载变形的能力,(1),机动 目录 上页 下页 返回 结束,二、应力、应变关系曲线（本构关系）,（一）曲线,机动 目录 上页 下页 返回 结束,两个范围,弹性范围OB,塑性范围BE,五个阶段,正比阶段OA,弹性阶段OB,屈服阶段CD,强化阶段DE,破坏阶段EF,五个极限,正比极限A,弹性极限B,屈服极限C,强度极限E,断裂极限F,两条直线OA CD,1、正比段OA,直线 正比关系 胡克定律 正比极限点 正比极限强度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,计算模量KOA,机动 目录 上页 下页 返回 结束,弹性与塑性分界点割线模量、微分模量,2、弹性段OB,曲线 弹性变形 弹性极限点 弹性极限强度,3、屈服段CD,曲线+平线 塑性变形 蠕变 屈服点 屈服应力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,计算屈服应力,4、细颈段DE,曲线 细颈 最大极限点 最大极限,机动 目录 上页 下页 返回 结束,计算最大极限强度,5、断裂段EF,曲线 断裂 断裂点 断裂强度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,计算断裂强度、极限应变,屈服应力,OA的斜率表刚度,长度延伸率,力学指标：,能量损耗,截面收缩率,展性与脆性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,OA的斜率表刚度,F,F,B,BF的长度表示脆、韧性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,OA的斜率表刚度,F,F,B,BF的长度表示脆、韧性,机动 目录 上页 下页 返回 结束,1、主动脉弹性组织,（二）生物材料本构曲线,（1）特性：,（2）机理：,（3）力学指标求解：,没有直线部分,弹性强度是抗张强度的95%,长分子结构,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、密质骨,（1）特性：,（2）机理：,（3）力学指标求解：,直线部分很短,拉伸与压缩曲线不重合,机动 目录 上页 下页 返回 结束,钢筋混泥土结构,三、生物力学派生指标,（一）泊松比,（二）体变模量,（三）可扩张度（压缩系数）,（四）顺应性在压力的作用下，使容积增大而破裂的一种好特性,横向的相对缩短与纵向的相对伸长成正比,压强增量与容积的相对改变成正比,每改变单位压强容积改变与原容积的百分比,改变单位压强所对应的体积改变量,机动 目录 上页 下页 返回 结束,四、正应力、正应变在骨折中的应用,（一）内转矩M和曲率1/R,1、应变,以骨骼弯曲为例,机动 目录 上页 下页 返回 结束,以骨的某一数学切面为例,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、应力,以骨的某一数学切面为例,从右侧看过去,3、面二次矩,给出:(常用）,(1)同一构件使用方式不同，面二次矩不同,可据截面的形状计算,(2)不同构件使用方式相同，面二次矩不同,实心圆棒,空心圆棒,机动 目录 上页 下页 返回 结束,M、I一定，E越大,E、I一定，M越大,M、E一定，I越大,4、结论,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（二）在骨折中的应用,1、断裂标准之一,YT 抗拉强度,以骨骼断裂为例,YC 抗压强度,YB 抗拉、抗压强度中较小的那一个,说明：,（1）YB 会比YT、 YC中较小的稍大一些,（2）YB 与年龄负相关,机动 目录 上页 下页 返回 结束,最大应力发生在凸、凹侧,2、断裂标准之二,机动 目录 上页 下页 返回 结束,运动员的脚和踝穿着固定的滑雪屐上的滑雪靴，而滑雪屐忽然在地上被阻住时，如果人体倒向一边，胫骨和腓骨将要断裂。现只考虑横截面为圆形棒的胫骨，其最小横截面约在胫骨下端之上三分之一处，此处骨横截面的有效直径是0.8英寸，极限强度YB=29000磅/平方英寸，若人体重为170磅。 试求身体重心偏离小腿阻住处多远，胫骨将骨折。,作业3,机动 目录 上页 下页 返回 结束,五、切应力、切应变在骨折中的应用,（一）扭转角 与转矩M,1、应变,机动 目录 上页 下页 返回 结束,扭转前,扭转后,表面纤维的切变角,内部纤维的切变角,2、应力,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3、结论,（二）在骨折中的应用(略）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,扭转角与成正比扭转角与成反比,第三节 物质的粘性,一、牛顿粘滞定律：,（一）实验：,（二）结论：,（三）定律：,甘油在玻璃管中的缓慢流动,1、层与层之间有内摩擦力,2、各层速度不同，存在速度 梯度,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（四）说明：,1、 摩擦系数（粘度）： 帕斯卡秒,与液体的性质有关随温度的变化而变化,2、 相对面积 ： 平方米,3、 若速度梯度为正取+号 若速度梯度为负取-号,机动 目录 上页 下页 返回 结束,4、 粘滞阻力或内摩擦力：,与固体间摩擦力主要取决于正压力有着根本的区别。,5、流动液体中的应力：,6、另一种形式：,正应力贡献压力切应力贡献流动,机动 目录 上页 下页 返回 结束,切变率,二、牛顿流体与非牛顿流体：,（一）牛顿流体,（二）非牛顿流体,遵循牛顿粘滞定律的流体,不遵循,流动曲线是过原点的直线,流动曲线不是,粘度是常数,表观粘度不是(*有一种除外),机动 目录 上页 下页 返回 结束,例如：水、酒精、汽油、血浆、血清等,例如：高分子溶液、高分子熔体、高分子凝胶、胶体粒子离散系统、血液等,（三）粘度与切变率的关系,分三种情况：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,粘度随切变率的增加而减小,粘度随切变率的增加而增加,粘度随切变率的增加而不变,也包括：,（四）特异性流体（非牛顿流体里包含的）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,有屈服应力存在的流体,只有当应力大于屈服应力后流体才会流动,流动曲线不过原点,特点：,滨汗流体（油漆 油墨）,假塑性流体（盐水）,胀塑性流体(淀粉）,*,机动 目录 上页 下页 返回 结束,d=1nm以下,溶液：（透明）,d=1-100nm之间,胶体：,d=100nm以上,悬浊液：（悬浊液 乳浊液）,三、测量粘度的方法：（见血液流变学部分）,（一）毛细管法（粘度计）,（二）旋转法（粘度计）,（三）斯托克斯法（落球计）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,泊肃叶定律,牛顿粘滞定律,斯托克斯定律,第四节 物质的粘弹性,粘弹性：既具有弹性又具有粘性的力学性质 （双重性）,机动 目录 上页 下页 返回 结束,弹性体的特点：任意点任意时刻的应变只取决 于当时当地的应力,粘弹性体的特点：任意点任意时刻的应变不仅取决于当时当地的应力还与应力过程有关,沥青,蛋清,橡胶,高分子塑胶,高温的铁,即应力、应变是一个与时间有关的函数（时变性）,一、粘弹性的三个特点：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,松弛 蠕变 滞后,（一）应力松弛,条件,应变一定-应力随时间减少,应力松弛,现象：,粘弹性固体-应力部分松弛,粘弹性流体-应力完全松弛,思考问题：,衰减快慢？,应力松弛模型？,机动 目录 上页 下页 返回 结束,衰减规律？,蠕变,条件,（二）蠕变,应力一定-应变随时间增加,机动 目录 上页 下页 返回 结束,现象：,（延时应变）,粘弹性固体-应变会完全消失,粘弹性流体-应变不会完全消失,蠕变及恢复,弹性应变,粘性应变,延时应变,机动 目录 上页 下页 返回 结束,弹性应变,粘性应变,延时应变,应变包含三部分：,弹性+粘性+延时,思考问题：,增加快慢？,蠕变模型？,机动 目录 上页 下页 返回 结束,增加规律？,弹性应变,粘性应变,延时应变,滞后环,弹性,粘弹性,（三）滞后环（迟滞环）,滞后环-应变滞后于应力形成,滞后环的绕行方向？,滞后环形状与大小？,滞后环生物力学意义？,机动 目录 上页 下页 返回 结束,思考问题：,二、粘弹性模型,描述松弛现象,（一）麦克斯韦（Maxwell)模型,弹性元件与粘性元件串联,特征方程：,松弛公式：,结论：,1、完全松弛现象,2、部分松弛现象可改写,3、松弛时间,1,2,机动 目录 上页 下页 返回 结束,作业4.,Maxwell模型,为了表示生物粘弹性材料的应力松弛这一特点，,引入了Maxwell模型。,若某一生物材料在,试改写松弛方程和曲线。,答案：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,研究延时应变现象,（二）伍格特(Voigt)模型,弹性元件与粘性元件并联,特征方程：,延时应变公式：,结论：,1、延时应变现象,2、三种应变叠加的蠕变现象（见四元素模型）,3、延时时间,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（三）开耳芬(Kelvin)模型（略）,研究蠕变、松弛现象,弹性元件与粘性元件串联后再并联,弹性元件与粘性元件并联后再串联,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3,3,（四）四元素模型（论文）,研究蠕变现象,伍格特模型与弹性元件与粘性元件串联,特征方程：,蠕变公式：,结论：,综合描述蠕变现象,机动 目录 上页 下页 返回 结束,3,4,三、动粘弹性,任务：,给材料施加周期性的振荡作用（最简单的是简谐振动）,以简谐振动为例,动态粘弹性的特征,表征动态粘弹性的量,机动 目录 上页 下页 返回 结束,（一）特征：,1、胡克体：,应力、应变同步,机动 目录 上页 下页 返回 结束,应力、应变关系曲线是一条直线,能量损耗为零,2、粘弹性体：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,应力、应变不同步（应力超前应变）,应力、应变关系曲线是一条椭圆曲线,能量损耗为椭圆面积,（二）力学指标：,1、绝对弹性模量：,2、动弹性模量：,3、动粘性模量：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,四、测量粘弹性的方法,（一）意义,（二）方法,机动 目录 上页 下页 返回 结束,测量粘弹性诊断、治疗,人为控制粘弹性药物、非药物治疗,Ogston和stainier法（牛顿环法）,Lutz法(磁震荡法）,1、牛顿环法（Ogston和Stainier)实验,(1）示意图：,(2）原理：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,2、流变仪法（Lutz)实验,(1）示意图：,(2）原理：,机动 目录 上页 下页 返回 结束,
