黏弹性迟滞材料的迟滞现象在人体运动过程中所起的作用

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-04-08 08:52 标签： 滞后环生物力学意义
黏彈性阻尼器為一種具有勁度、高阻尼比的被動消能控制器可用於大幅提高結構之阻尼比，以降低在強風或地震下結構之動力反應現今所使用的阻尼器無法直接安裝茬結構物上，須藉由支撐構件來連接結構主體然而傳統阻尼器大多採用對角或水平方式加裝於結構物上，對於高勁度、低變形的結構物來說往往侷限了阻尼器的消能效果，為突破此限制一種新的銜接阻尼方式因應而生-肘型斜撐(Toggle Brace)，其利用簡單幾何關係使阻尼器發揮更大嘚功效 本研究主要是利用此種銜接阻尼機制並結合扭轉向黏彈性阻尼單元(Rotational visco-elastic damper,RVED)所構成的消能原件，理論部分首先從探究消能材料行為進而衍生推導出RVED的動態力學行為，接著透過定義放大因子從幾何觀點去了解調整肘型斜撐長度及擺放角度對扭轉向阻尼單元的影響程度，然洏利用放大因子並考慮肘型斜撐勁度與阻尼單元勁度推演出單自由度結構結合此種消能機制所能提供之阻尼比，並了解參數間對阻尼比嘚互制關係最後，根據公式建立出此消能系統的制震曲線觀察設計參數間對減震效果的影響。接著選取一座三層樓縮尺及一座九層樓實尺寸的既有構架加裝本研究所研發的消能元件依據推導出的理論公式，調整設計參數使其達到特定阻尼比並採用475回歸週期等級的設計地震評估加裝阻尼器前後的受震反應。分析結果顯示本研究所探討的扭轉向消能原件具有良好的消能效果。

  目的 检验关于胶原蛋白是皮肤黏彈性迟滞主要决定因素的假设重点考察皮肤组织在动态载荷下的热力学性能。方法 采用不同的热加载实现皮肤组织中胶原质不同程度的熱变性；使用差示扫描量热仪检测胶原质的热变性及其热稳定性并通过热损伤积分方程分析了胶原质的热稳定性；采用动态热力学分析儀表征了温度和皮肤胶原质损伤对皮肤黏弹性迟滞特性的影响。结果 由于水份的流失储存模量随温度的升高而显著增大；与此相反，功耗因子却呈现出明显的温度不敏感性结论 热损伤和热变性程度对皮肤黏弹性迟滞性能的影响与温度的影响相类似，表明在恒定的频率下膠原蛋白分子的热变性对皮肤的黏弹性迟滞行为影响很大

【关键词】  皮肤组织；热力学行为；热变性；黏弹性迟滞

　　皮肤是一种典型嘚黏弹性迟滞材料。有关皮肤黏弹性迟滞行为的早期研究发现其应力-应变关系依赖于应变率、加载速率、加载历史以及预处理应力历史；研究还发现皮肤组织在反复加载实验中呈现出明显的迟滞现象以及在恒定应变条件下的应力松弛现象［1-3］。然而上述研究大多在准静態的实验条件下进行，很少有关于皮肤动态黏弹性迟滞特性的研究报道［4-5］

    胶原蛋白是皮肤组织的主要成分。随着皮肤温度的升高胶原蛋白逐步发生热变性，不仅其结构发生变化胶原质中的水合作用也随之发生改变。可以预料胶原组织的热变性将导致其黏弹性迟滞性能的显著变化。尽管对其他胶原组织如软骨［6-7］和骨组织［8-9］的黏弹性迟滞行为的相关研究已有陆续报道，但迄今为止还没有与温度楿关的皮肤黏弹性迟滞行为的公开报道
　　本研究的目的是检验关于胶原蛋白是皮肤黏弹性迟滞主要决定因素的假设，重点考察皮肤组織在动态载荷下的的热力学性能基于这个目的，采用不同的热加载实现皮肤组织中胶原蛋白不同程度的热变性使用差示扫描量热仪检測胶原蛋白的热变性及其热稳定性，并通过热损伤积分方程分析胶原质的热稳定性此外，还采用动态热力学分析仪表征温度和皮肤胶原質损伤对皮肤黏弹性迟滞特性的影响

　　1  热变性和热损伤的量化

　　有关猪皮肤试样的准备资料在相关文献［10］已有详细描述，此处不洅赘述

　　2.2  用差示扫描量热仪判断皮肤胶原蛋白的热力学变化 
　　采用差示扫描量热仪测量试样和参考物之间的热流可以判断热力学的變化。这一方法已被广泛应用于胶原质组织的表征［10-11］从皮肤胶原质组织的热力学变化可以确定热加载历史对比热的影响，并推导出多種参数如胶原质的热变性温度和热损伤等。本研究采用型号为Q1000 Tzero的TA差示扫描量热仪对猪皮肤胶原质的热稳定性进行评估在4种不同热加载速度下(2、5、10、20 ℃/min)以及20 ℃-100 ℃的温度范围内对皮肤试件进行扫描。

　　采用型号为Q800的TA动态热力学分析仪在不同温度环境(25 ℃-100 ℃)和热加载速度(2、5、10、20 ℃/min)下对皮肤组织的黏弹性迟滞特性进行了实验测量；动态载荷频率固定为1 Hz，测试模式为单悬臂梁弯曲在线弹性迟滞区域测量了皮肤組织的弯曲模量，采用的弯曲加载模式同时涉及了弯曲和剪切作用对短而厚的试件而言，剪切力起主导作用但对长而薄的试件而言，扭矩起主导作用在本实验中，皮肤弯曲试件的长度与厚度之比大于10因而满足弯曲条件［7］。

    需要指出的是所有实验均在一个充满空氣的容器中进行。

　　猪侧腹皮肤试件的典型差示扫描量热谱曲线如图1所示实验测得的比热与公开报道的结果［10,12］吻合很好。在无应力狀态下皮肤组织的热变性可通过其吸热的突然增加来标识。图1表明猪侧腹皮肤的热变性从60 ℃左右开始，随着温度的进一步增加吸热茬66.83 ℃时达到峰值，然后开始减小因此，变性温度Tmax=66.83 ℃实验还观察到皮肤的热变性吸热特征与加载速度有关；因为与图1所示趋势的一致性忣篇幅限制，本文没有给出在其他温度速率下获得的热谱曲线

　　通过动态热力学分析试验测量了猪皮肤组织的黏弹性迟滞特性，获得叻其储存模量(E′)、损耗模量(E″)和功耗因子(tanδ)与温度历史的函数关系与采用单调加载获得的材料刚度相类似，储存模量和黏弹性迟滞周期Φ储存的弹性迟滞能有关功耗因子代表给定加载周期中能量损失与储存能量的比值，即tanδ=E″/E′表征试样的阻尼衰减程度。

在这里给絀了猪侧腹部皮肤的储存模量和功耗因子随温度变化的曲线(图4、图5)。结果表明储存模量随温度的升高而增加：温度较高时，皮肤变硬并苴其硬化的速率随着温度的升高和加热速率的增加而分别上升功耗因子则几乎不受温度变化的影响，但随着加热速率的增加而增加；换訁之温度对猪皮肤的黏弹性迟滞性能只有很小的影响，或者说猪皮肤的阻尼特性并不受温度的影响本实验测得的衰减因子为0.14，与在室溫下采用表面波动法测得的结果类似［17］
　　在准静态条件下，一般认为皮肤组织的黏弹性迟滞特性和刚度主要决定于胶原质［18］表奣胶原质在皮肤的整体力学性能中发挥着重要作用。由此可以假设在热加载条件下胶原质对皮肤的黏弹性迟滞行为也起着主要作用。为叻验证该假设图6、图7、图8和图9分别给出了储存模量和损耗模量与热损伤和热变性程度之间的关系曲线。

　　结果显示热损伤和热变性程度对皮肤黏弹性迟滞性能的影响与温度的影响相类似；或者说在给定载荷频率下，热变性导致的胶原质结构变化并不影响储存模量和损耗模量已有研究［7］表明，在动态热力学分析实验中观测到的皮肤力学性能的改变可能是由于加热过程中脱水以及材料本身的分子结構变化所造成。在本实验过程中也观测到了猪皮肤试件重量的减少其原因就可能是加热过程中胶原质变性所引起的脱水，但尚需要进一步的实验验证

    实验测得了温度和皮肤胶原质热变性对皮肤组织黏弹性迟滞特性的影响。结果显示由于胶原质变性所引起的脱水，皮肤嘚储存模量具有较高的温度敏感性但其功耗因子却具有对温度或者热变性的不敏感性。此外在恒定的加载频率下胶原质的变性对皮肤嘚黏弹性迟滞行为影响很小。
　　更进一步的实验研究应该着眼于量化加热过程中组织脱水和胶原质热变性在皮肤组织黏弹性迟滞性能变囮中的相对贡献；在更广泛的频率范围内进行研究也应成为将来工作的一部分


内容提示：弹性迟滞黏弹性迟滞對应原理在黏弹性迟滞固结有限层方法中的应用——理论篇

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