Сопротивление материалов (Работнов Ю.Н.)
Сопротивление материалов (Работнов Ю.Н.)
ОглавлениеПРЕДИСЛОВИЕГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ § 1. Задачи и содержание сопротивления материалов. § 2. Сопротивление материалов и теоретическая механика. § 3. Статически неопределенные задачи. § 4. Внешние силы. § 5. Принцип отвердения. § 6. Недопустимость замены системы сил статически эквивалентной. § 7. Однородное тело.  § 8. Внутренние силы. § 10. Простейшие типы напряженного состояния. § 11. Простейшие виды деформации. § 12. Упругость и пластичность. § 13. Закон Гука. § 14. Диаграмма пластичности. § 15. Тела изотропные и анизотропные. ГЛАВА II. РАСТЯЖЕНИЕ СЖАТИЕ § 16. Стержни и стержневые системы. § 17. Принцип Сен-Венана и гипотеза плоских сечений. § 18. Напряжения и деформации при растяжении. § 19. Расчеты на прочность при растижении и сжатии. § 20. Собственный вес и силы инерции. § 21. Стержни переменного сечения. § 22. Перемещения узлов стержневых систем. § 23. Статически неопределенные задачи на растяжение — сжатие. § 24. Температурные и монтажные напряжения. § 25. Общие соображения о расчете стержневых систем. § 26. Расчет статически неопределимых систем по допускаемым нагрузкам. § 27. Остаточные напряжения после пластической деформации. § 28. Потенциальная энергия растяжении. § 29. Напряжения при ударе.  § 30. Распространение упругих волн в стержнях. § 31. Концентрации напряжений. § 32. Нелинейные задачи на растяжение — сжатие. ГЛАВА III. СЛОЖНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ § 33. Напряжения на косых площадках при растяжении. § 34. Напряжения при двухосном растяжении. § 35. Круговая диаграмма Мора. § 36. Общий случай плоского напряженного состояния. § 37. Определение напряжений на произвольной площадке. § 38. Пространственное напряженное состояние. § 39. Главные напряжения. § 40. Главные касательные напряжения. § 41. Октаэдрическое напряжение. § 42. Закон Гука для главных осей. § 43. Изменение объема при упругой деформации. § 44. Чистый сдвиг. § 45. Деформация элемента объема в общем случае. § 46. Условие пластичности Треска — Сен-Венана. § 47. Условие пластичности Мизеса. § 49. Потенциальная энергия упругой деформации. § 50. Энергия изменения формы.  ГЛАВА IV. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ § 51. Расчеты на прочность изделий сложной формы. § 52. Безмоментные оболочки вращении. § 53. Местные напряжения в безмоментных оболочках. § 54. Большие прогибы мембраны. § 55. Условные расчеты. § 56. Некоторые дальнейшие примеры условных расчетов. § 57. Расчет сварных соединений. ГЛАВА V. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ § 58. Задачи испытания материалов. § 59. Статические испытания на растяжение. § 60. Исследование металлов в области малых деформаций. § 61. Диаграмма растяжения мягкой стали. § 62. Опыты на сжатие. § 63. Строение и упругая деформация металлических кристаллов. § 64. Типичные кристаллические структуры металлов. § 65. Пластическая деформация монокристаллов. § 66. Прочность кристаллов и сопротивление пластическому деформированию. § 67. Дислокации. § 68. Движение и равновесие дислокаций. § 69. Источники дислокаций. § 70. Границы блоков.  § 71. Деформация поликристаллических металлов и сплавов. § 72. Влияние повышенной температуры на механические свойства. § 73. Влияние скорости испытания. § 74. Испытании на твердость. ГЛАВА VI. ТЕОРИИ ПЛАСТИЧНОСТИ, НЕЛИНЕЙНОЙ УПРУГОСТИ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЯ § 75. Основные принципы построения теории пластичности. § 76. Ассоциированный закон течения. § 77. Течение при условии пластичности Сен-Венана и Мизеса. § 78. Закон упрочнения. § 79. Деформационная теория пластичности. § 80. Экспериментальная проверка теорий пластичности. § 81. Конечная деформация. § 83. Высокоэластические деформации. § 84. Упругое последействие. § 85. Некоторые свойства вязко-упругого тела. § 86. Принцип суммирования Больцмана—Вольтерра. ГЛАВА VII. КРУЧЕНИЕ § 87. Кручение стержней круглого сечеиия. § 88. Упруго-пластическое кручение стержня круглого сечения. § 89. Гипотеза жесткого контура. § 90. Кручение тонкостенных стержней замкнутого профиля.  § 91. Кручение тонкостенных стержней открытого профиля. § 92. Кручение упругих стержией сплошного профиля. § 93. Опытное исследование кручения. § 94. Предельное состояние закрученного стержня из идеально-пластического материала. ГЛАВА VIII. ТЕОРИЯ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ § 96. Общие теоремы о моментах. § 97. Преобразование статических моментов и моментов инерции при параллельном переносе осей. § 98. Вычисление моментов инерции. § 99. Преобразование моментов инерции при повороте осей. § 100. Главные оси и главные моменты инерции. ГЛАВА IX. НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ § 101. Действие поперечных сил на балку. § 102. Гипотеза плоских сечений и принцип Сен-Венана. § 103. Нормальные напряжения при изгибе. § 104. Изгибающие моменты и перерезывающие силы. § 105. Дифференциальные соотношения между интенсивностью нагрузки, перерезывающей силой и изгибающим моментом. Эпюры. § 106. Расчет на прочность при изгибе по допускаемым напряжениям. § 107.  Упруго-пластический изгиб.§ 108. Несущая способность стержня при изгибе. § 109. Принцип Сен-Венана. § 110. Внецентренное растяжение — сжатие. § 111. Ядро сечения. § 112. Несущая способность внецентренно сжатого стержня. § 113. Расчет составных балок. § 114. Изгиб кривого бруса. ГЛАВА X. ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ИЗГИБЕ § 116. Дифференциальное уравнение изогнутой оси. § 117. Пределы применимости приближенной теории. § 118. Интегрирование уравнения изгиба. § 119. Примеры определения прогибов. § 120. Простейшие статически неопределенные задачи. § 121. Расчет статически неопределимых балок по способу допускаемых нагрузок. § 122. Изгиб стержней переменного сечения. § 123. О решении линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. § 124. Продольно-поперечный изгиб. § 125. Изгиб балки на упругом основании. ГЛАВА XI. ИЗГИБ И КРУЧЕНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ СТЕРЖНЕЙ § 126.  Нормальные и касательные напряжения при изгибе.§ 127. Касательные напряжении при изгибе в плоскости симметрии. § 128. Центр изгиба. § 129. Дополнительные напряжения при кручении. § 130. Закон секториальных площадей. § 131. Уравнение стесненного кручения. § 132. Вычисление секториальных характеристик. § 133. Стержень, нагруженный бимоментом. § 134. Некоторые примеры стесненного кручения. ГЛАВА XII. УСТОЙЧИВОСТЬ УПРУГОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ § 135. Постановка вопроса об устойчивости. § 136. Устойчивость сжатого упругого стержня. § 137. Эластика Эйлера. § 138. Критические силы при иных видах закрепления стержня. § 139. Потеря устойчивости за пределом упругости. § 140. Потеря устойчивости за пределом упругости (продолжение). § 141. Исследование поведения сжатого стержня при потере устойчивости за пределом упругости. § 142. Расчет на устойчивость по эмпирическим формулам. ГЛАВА XIII. ТРУБЫ И ДИСКИ § 143. Толстостенные трубы.  § 144. Упругое состояние трубы. Формулы Ламе. § 145. Пластическое состояние трубы. § 146. Вращающиеся диски. Упругое состояние. § 147. Диск равного сопротивления. § 148. Предельное равновесие вращающегося диска. ГЛАВА XIV. ОБЩИЕ ТЕОРЕМЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ § 149. Обобщенные силы и обобщенные перемещения. § 150. Начало возможных перемещений для деформируемого тела. § 151. Теоремы Лагранжа и Кастильяно. § 152. Лииейиые упругие системы. § 153. Теорема о взаимности работ. § 154. Теорема Кастильяно для линейных упругих систем. § 155. Расчет винтовых пружин. § 156. Теорема о минимуме энергии. § 157. Интеграл перемещений. § 158. Графоаналитический способ вычислений интеграла перемещений. § 159. Расчет статически неопределимых систем по методу сил. § 160. Уравнение трех моментов. ГЛАВА XV. ТЕОРИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ § 161. Жестко-пластическое тело. § 162.  Поверхности нагружения.§ 163. Истинное и допустимые состояния элемента. § 164. Статический метод определения предельной нагрузки. § 165. Примеры определения предельной нагрузки статическим методом. § 166. Кинематически возможные состояния. § 167. Кинематический метод определения предельной нагрузки. § 168. Примеры определения предельной нагрузки кинематическим методом. § 169. Предельное равновесие пластинок. ГЛАВА XVI. ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ § 170. Колебания систем с конечным числом степеней свободы. § 171. Собственные частоты и главные формы колебаний. § 172. Представление произвольной конфигурации системы через главные формы. Главные координаты. § 173. Формула и способ Релея. § 174. Нижние оценки для частоты основного тона. § 175. Продольные колебания стержней. § 177. Колебания балок постоянного сечения. § 178. Способ Релея — Ритца в применении к поперечным колебаниям стержня.  § 179. Действие ударных и импульсивных нагрузок на упругие системы. ГЛАВА XVII. ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ § 180. Постановка вопроса о прочности. § 181. Хрупкое и пластическое разрушение. § 182. Теория прочности Мора. § 183. Механизм хрупкого разрушения. § 184. Прочность при низких температурах. § 185. Прочность при переменных нагрузках. § 186. Природа усталостного разрушения. § 187. Критерии прочности при переменных нагрузках. § 188. Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность. § 189. Усталостная прочность при сложном напряженном состоянии. ГЛАВА XVIII. ПОЛЗУЧЕСТЬ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ § 190. Ползучесть металлов. § 191. Процесс ползучести. § 192. Длительное разрушение. § 193. Температурные зависимости ползучести и длительной прочности. § 194. Феноменологические теории одномерной ползучести. § 195. Релаксация напряжений. § 196. Длительная прочность при переменных нагрузках. § 197. Ползучесть при изгибе.  § 198. Критическое время сжатого стержня. § 199. Ползучесть и длительная прочность при сложном напряженном состоянии. § 200. Вращающиеся диски в условиях ползучести. § 201. Расчеты на ползучесть по теории старении. |
Анализ воздействия растягивающих и сжимающих нагрузок на бедренную кость человека
Adv Biomed Res. 2014; 3: 101.
Опубликовано в сети 25 марта 2014 г. doi: 10.4103/2277-9175.129375
, , 1 и 2
3 Информация об авторских правах 0003
Фон:
Хрупкий переломы наиболее вероятные проявления усталостных повреждений, которые развиваются в условиях повторяющихся нагрузок. При растягивающих и сжимающих нагрузках по всей кости расходятся многочисленные микротрещины. В этом исследовании испытания на растяжение и сжатие проводятся на образцах обоих полов в течение 19до 83 лет и оценивается прочность на разрыв.
Материалы и методы:
Испытывают пятьдесят пять образцов кортикального слоя бедренной кости человека.
Они разделены на различные возрастные группы от 19 до 83 лет. Механические испытания проводятся на универсальной испытательной машине Instron 3366 в соответствии со стандартами Американского общества испытаний и материалов (ASTM).
Результаты:
Результаты показывают, что стресс, вызываемый костной тканью, зависит от возраста и пола. Замечено, что с возрастом снижается как прочность на растяжение, так и прочность на сжатие. Прочность на сжатие больше, чем прочность на растяжение у обоих полов.
Заключение:
Прочность на сжатие и растяжение кортикального слоя бедренной кости человека оценивается как у мужчин, так и у женщин в возрастной группе 19-83 лет. Прочность на излом увеличивается до 35 лет у мужчин и 30 лет у женщин, а затем снижается. Механические свойства кости зависят от возраста и пола.
Ключевые слова: Возраст, кортикальный слой бедренной кости, модуль Юнга, прочность на растяжение, прочность на сжатие
Кость представляет собой сложную, высокоорганизованную и специализированную соединительную ткань.
Согласно Вашишт et al .[1] на прочность и форму скелета могут влиять различные факторы, такие как механическая нагрузка, генетика, фармакологические агенты и потребление пищи. Костные ткани представляют собой соединительные ткани, состоящие из клеток, включая остеобласты, остеоциты, клетки, выстилающие кость, и остеокласты, которые производят, поддерживают и организуют клеточный матрикс.[2] Хрупкость скелета у пожилых людей является наиболее серьезной проблемой для здоровья, связанной с костями.[3] После среднего возраста риск переломов увеличивается с возрастом, и переломы могут возникать при отсутствии травматической нагрузки. Нетравматические переломы обычно связаны с остеопорозом.[4] Например, риск переломов увеличивается с возрастом, даже если риск скорректирован с учетом костной массы, что указывает на то, что способность костной ткани ухудшается с возрастом. Минерализация кости и замещение карбонатом увеличиваются с возрастом, однако это не влияет на прочность костей.
[5] Это может способствовать возрастной хрупкости скелета. Наиболее важным параметром, определяющим качество ткани с точки зрения ее эластичных свойств, является организация коллагена и его структура в кости.[6]
Исследования распределения напряжений и деформаций в органических и минеральных компонентах могут выявить наноструктурное происхождение повреждений костей. Когда кость подвергается осевым растягивающим напряжениям, органическая матрица, состоящая из коллагена типа I, подвергается как нормальному, так и сдвиговому напряжению, которое может вызывать наноразмерные повреждения в органической матрице кости. Коллагеновые фибриллы передают силу растяжения от одной фибриллы к другой за счет напряжения сдвига, возникающего в области перекрытия фибрилл [7,8]. Деформация коллагеновых волокон включает молекулярное растяжение и проскальзывание, проскальзывание фибрилл и, в конечном счете, дефибрилляцию. Эти механизмы уменьшают диаметр фибрилл и увеличивают область пальцев во время последующих испытаний на растяжение.
[9]]
Перелом вследствие компрессии кортикального слоя кости сильно зависит от объемной доли костной ткани, строения и механических свойств костной ткани. Как указал Викас Томар [7], дефекты кортикального слоя кости чувствительны к вариациям внутри и между образцами в архитектурных особенностях, а также в свойствах материала. Исследования механизма повреждения соединительной ткани, состоящей из коллагена типа I, в наномасштабе проводились путем механической нагрузки на эти ткани и внесения повреждений в их ультраструктуру.[10,11]
В этом исследовании проводится анализ механического поведения кортикальной кости бедренной кости человека. Растягивающие и сжимающие напряжения индуцируются в кортикальном слое кости повторяющимися нагрузками. Мы проверяем гипотезу о том, что прочность кости при разрушении зависит от возраста и пола. Модуль Юнга для различных возрастных групп рассчитан как для мужчин, так и для женщин. Продемонстрировано упругое поведение костной ткани при растяжении.
Бедренные кости толще и длиннее любых длинных костей человека. Следовательно, из-за их размера в толщине кортикального слоя в качестве исходного материала выбирают бедренные кости. Кости получены от трупов обоих полов, которые не были госпитализированы и не иммобилизованы перед смертью. Было получено 55 образцов бедренной кости, которые были разделены на различные возрастные группы от 19 долет до 83 лет. После удаления мягких тканей бедренные кости заворачивают в калибр, смоченный в солевом растворе, забуференном кальцием. Во время всех операций резания и обработки костный материал часто и обильно опрыскивают физиологическим раствором, чтобы он оставался прохладным и влажным. Образцы тестируются с кодовой маркировкой, чтобы сохранить конфиденциальность информации о пациенте.
Подготовлены образцы размером 5 мм × 5 мм × 15 мм для испытаний на растяжение и кубики 5 мм × 5 мм × 5 мм для испытаний на сжатие. Эксперименты проводятся в соответствии со стандартами Американского общества испытаний и материалов (ASTM).
Механические испытания проводят на универсальной испытательной машине Instron 3366. Система оснащена зажимами для растяжения и оснащена экстензометром для измерения деформации.
Образцы для испытаний на растяжение сконструированы таким образом, чтобы самые высокие напряжения возникали в центральной части или в калибровочной области образца. Измерения деформации получают путем прикрепления зажима экстензометра к калибровочному участку образца. Напряжение рассчитывается как приложенная сила, деленная на площадь поперечного сечения кости, измеренную в средней части образца. Для испытаний на сжатие получают кубы одинакового размера. Нагрузка, обращенная к образцу кости, выровнена по отношению к пластине, нагружающей сжатие. Параллельность поверхностей, содержащих нагрузку, каждого образца можно оценить путем измерения разности высот между каждой из четырех сторон и центральной точкой поверхностей, контактирующих с нагрузкой.
Испытания нагрузки на растяжение и сжатие проводят на кортикальном слое бедренной кости человека и анализируют для оценки устойчивости к переломам с точки зрения интенсивности напряжения в зависимости от возраста, что выполняется для образцов как мужчин, так и женщин.
Статистический анализ прочности на растяжение и сжатие обобщен в . Средняя прочность на растяжение у мужчин оказывается выше, чем у женщин. Аналогичная тенденция наблюдается и в отношении прочности на сжатие. На тканевом уровне соответствующие механические свойства значительно снижаются при старении с Р < 0,001.
Таблица 1
Механические свойства кортикального слоя бедренной кости человека мужского и женского пола существенные изменения наблюдались со старшими возрастными группами. Модуль Юнга рассчитывается путем получения отношения напряжения растяжения к деформации растяжения. Модуль Юнга показал первоначальное медленное увеличение в молодых и средних возрастных группах от 20 до 35 лет как у мужчин, так и у женщин, но значительно больше в старшей возрастной группе для обоих полов с максимумом в 70-80 лет.
обобщает статистический анализ механических свойств кортикального слоя бедренной кости человека у мужчин. В возрастной группе 30 лет и младше испытываются 9 образцов, и средняя прочность на растяжение оказывается самой высокой среди других возрастных групп.
Модуль Юнга наименьший по сравнению с другими возрастными группами. Это показывает, что кости в этой возрастной группе прочнее и сравнительно более пластичны. В возрастной группе 31-50 лет исследовано 8 проб, в возрастной группе 51-70 лет исследовано 9 проб. В этих двух возрастных группах наблюдается значительное снижение прочности на растяжение и сжатие. В возрастной группе старше 70 лет исследовано 10 проб. Модуль Юнга для этой возрастной группы указывает на то, что с возрастом напряжение, индуцированное на уровне тканей, уменьшается, следовательно, кости становятся хрупкими. показать сравнительный анализ прочности на сжатие, прочности на растяжение и модуля Юнга для мужчин.
Таблица 2
Механические свойства кортикального слоя бедренной кости мужчин
Открыть в отдельном окне
Открыть в отдельном окне
Сравнительный анализ прочности на сжатие, растяжение и модуля Юнга кортикального слоя бедренной кости человека мужского пола анализ кортикального слоя бедренной кости женщин различных возрастных групп.
В возрастной группе 30 лет и младше исследуют 4 пробы. В возрастной группе 31-50 лет исследовано 5 проб. В возрастной группе 51-70 лет для исследования предлагается 6 образцов. В возрастной группе старше 70 лет исследовано 4 образца. Визуальным осмотром во время испытаний оценивают прочность на разрыв. На тканевом уровне соответствующие механические свойства значительно снижаются при старении с P < 0,001, кроме модуля Юнга. Ясно замечено, что с возрастом прочность на растяжение и сжатие снижается, тогда как модуль Юнга резко увеличивается, что указывает на хрупкость костей в пожилом возрасте. показать сравнительный анализ прочности на сжатие, прочности на растяжение и модуля Юнга для женщин.
Таблица 3
Механические свойства кортикальной кости женской бедренной кости
Открыть в отдельном окне
Открыть в отдельном окне
Сравнительный анализ прочности на сжатие, прочности на растяжение и модуля Юнга для кортикальной кости бедренной кости человека женщины
показывает поведение растягивающей нагрузки в зависимости от возраста для мужчин и женщин.
Замечено, что прочность на растяжение снижается с возрастом, у мужчин прочность костей выше, чем у женщин. Аппроксимация кривой получена из полиномиального выражения второй степени y = −0,0037 x 2 −0,0138x+41,808, а линия тренда получена со значением R 2 для мужской линии тренда, равным 0,9.39 и что y = −0,0002 x 2 −0,1819 x +49,801 для женщин значение R 2 равно 0,739, следовательно, в заданном диапазоне возрастов от 19 до 83 лет можно найти соответствующий tensile сильные стороны. показывает поведение сжимающей нагрузки в зависимости от возраста для мужчин и женщин. Отмечено, что прочность на сжатие снижается с возрастом, мужчины также демонстрируют более высокую прочность костей, чем женщины, при испытаниях на сжатие. Аппроксимация кривой получается полиномиальным выражением второй степени y = −0,001 x 2 −0,8158 x +163,93, а линия тренда получается при значении R 2 для мужской линии тренда, равном 0,966, и для женского x y 0,0 = 38 2 -0,795 x +181,72 при значении R 2 равном 0,942, следовательно, в заданном диапазоне возраста от 19 до 83 лет можно найти соответствующие прочности на сжатие.
Изменение модуля Юнга с возрастом для кортикального слоя бедренной кости человека мужчин и женщин показано на , полученная кривая соответствует полиномиальному выражению второй степени y = 0,5083 x 2 −38,204 x +836,71 со значением R 2 0,888 для мужчин. Отмечено, что она почти постоянна до 55 лет, небольшой прирост отмечается в возрасте от 55 до 75 лет и значительный прирост после 75 лет и старше. Это однозначно свидетельствует о том, что у мужчин кость эластична до 55 лет, что связано с компактностью в организации костной ткани, а в более старшем возрасте в костной ткани образуются поры, а уменьшение плотности и кости делают ее хрупкой. У женщин до 55 лет существенной изменчивости не наблюдается. Отмечено значительное увеличение в возрасте после 55 лет и выше. Аппроксимация кривой получается полиномиальным выражением второй степени y = 0,2552 x 2 −20,282 x +593,8 со значением R 2 0,709.
Это ясно указывает на то, что кости становятся хрупкими после 55 лет у женщин.
Открыть в отдельном окне
Прочность на растяжение в зависимости от возраста для кортикального слоя бедренной кости
Открыть в отдельном окне
Прочность на сжатие в зависимости от возраста для кортикального слоя бедренной кости
Открыть в отдельном окне
Модуль Юнга в зависимости от возраста для кортикальный слой бедренной кости
Прочность и гибкость скелетной системы человека зависят от базовой структуры коллагеновых волокон. В процессе старения происходят изменения в коллагеновом каркасе. Основные изменения заключаются в увеличении жесткости ткани, волокна в конечном итоге становятся ломкими. Такие изменения явно вредны для оптимального функционирования скелетной системы. Изменения в поперечном сшивании коллагена являются основной причиной наблюдаемого изменения механических свойств, а также эластичных свойств в зависимости от возраста.[12,13]
Было показано, что наличие повреждений в костной ткани увеличивает предельную деформацию органического матрикса поврежденной кости.
Органический матрикс костной ткани действует для передачи усилий, передачи сил между костными минеральными пластинками и предотвращения преждевременного разрушения костной ткани как хрупкого материала. При избыточной нагрузке деформация коллагеновых волокон включает растяжение, соскальзывание латерально прилегающих элементов и разделение и, в конечном итоге, дефибрилляцию фибрилл из областей перекрытия при передаче силы сдвига.[13]
Результаты наших тестов сильно отличаются от результатов аналогичных работ, о которых сообщалось ранее. Например, Winwood и др. . (2006) протестировали образцы свежей компактной бедренной кости человека на сжатие и обнаружили, что прочность на разрыв составляет в среднем 210 МПа. Nalla et al ., (2002) провели обширное исследование прочности на изгиб кортикальной кости человека во влажном состоянии, и сообщаемый модуль упругости составляет 24,2 ГПа. По данным исследования, проведенного Новицкой и др. ., (2011) модуль упругости кортикального слоя бедренной кости составляет 22,6 ГПа для бычьей кости во влажном состоянии.
[12,14,15]
Некоторые структурные особенности коллагена придают определенным тканям механические свойства, соответствующие их широко варьирующимся функциям. Общее содержание коллагена в ткани, очевидно, является важным фактором, определяющим механическую прочность. Способность ткани выдерживать приложенную нагрузку также определяется ориентацией волокон, которая может заметно различаться между тканями. Коллагеновые фибриллы обладают небольшой прочностью на сжатие, но обладают очень высокой прочностью на растяжение. Прочность на растяжение и сжатие с возрастом снижается. Небольшие изменения модуля Юнга происходят во время созревания, но значительные в пожилом возрасте. Увеличение напряжения разрушения сопровождается снижением напряжения разрушения, что указывает на усиление сцепления между микрофибриллами, что предотвращает проскальзывание [16]. Диаметр коллагеновых волокон также играет важную роль в определении механических свойств ткани. Способность выдерживать высокие уровни стресса связана с долей фибрилл большого диаметра.
По мере увеличения диаметра гибкость ткани уменьшается, и снижается способность сопротивляться распространению трещины. В некоторых тканях существует бимодальное распределение диаметра волокон, пустоты между крупными волокнами заполняются мелкими волокнами, что обеспечивает высокое содержание коллагена, но сохраняет гибкость ткани. По мере созревания диаметр фибрилл увеличивается и может быть либо одномодулярным, либо бимодальным, поэтому с возрастом упругие свойства и механическая прочность снижаются [8,17,18] 9.0003
Вызванное возрастом снижение вязкости кости при разрушении количественно оценивается с точки зрения устойчивости как к зарождению, так и к росту трещины. Поскольку микроструктурные факторы, влияющие на зарождение и рост трещин в большинстве материалов, неизменно весьма различны, задача состоит в том, чтобы идентифицировать и количественно определить конкретные механизмы, влияющие на каждый процесс с точки зрения изменений, которые происходят в микро- или ультраструктуре кости с возрастом.
,20]
Степень достигнутой костной массы зависит от гормональных, пищевых и механических факторов. Во всех возрастных группах женщины имеют меньшую костную массу, чем мужчины, и с возрастом этот разрыв увеличивается. Для кортикальной кости медленная потеря костной массы начинается примерно в возрасте 40 лет у женщин и в 50 лет у мужчин. Кроме того, женщины обычно испытывают ускоренный период потери костной массы в период менопаузы. Эта ускоренная потеря связана со снижением уровня эстрогена. Роль дефицита эстрогена, по-видимому, заключается в усилении резорбции кости, а также в снижении костеобразования. Таким образом, у мужчин и женщин эстроген оказывает как катаболическое, так и анаболическое действие на кости на протяжении всей жизни. У пожилых мужчин остеопороз более тесно связан с низким уровнем эстрогена, чем с низким уровнем андрогена [21,22] 9.0003
Анализ разрушения кости на прочность проводится для оценки устойчивости к переломам у представителей обоих полов. Механическое поведение кости зависит от пола и возраста.
Результаты этого исследования демонстрируют возрастную деградацию механических свойств кортикального слоя бедренной кости человека на уровне ткани. Результаты показывают, что мужские образцы костей демонстрируют более высокую прочность на разрыв и эластичность, чем женские, во всех возрастных группах.
Источник поддержки: Нет
Конфликт интересов: Не объявлено.
1. Вашишт Д., Сит С. Флорида: Летняя конференция по биоинженерии; 2003. Возрастные изменения усталости при изгибе кортикальной кости человека. [Google Scholar]
2. Meng Y, Qin YX, Di-Masi E, Rafailovich M, Pernodet N. Биоминерализация самоорганизующегося внеклеточного матрикса для инженерии костной ткани. J ткани инженер. 2009; 15: 355–65. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
3. Thurner PJ, Chen CG, Ionova-Martin S, Sun L, Harman A, Porter A, et al. Дефицит остеопонтина увеличивает хрупкость костей, но сохраняет костную массу. Джей Боун. 2010;46:1564–73.
[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
4. Loveridge N, Power J, Reeve J, Boyde A. Плотность минерализации костей и хрупкость шейки бедра. Джей Боун. 2004; 35: 929–41. [PubMed] [Google Scholar]
5. Chen QZ, Wong CT, Lu WW, Cheung KM, Leong JC, Luk KD. Усиление механизмов соединения костей с кристаллическим гидроксиапатитом in vivo . Биоматериалы. 2004; 25:4243–54. [PubMed] [Google Scholar]
6. Компакт-диск Рубин. Новые концепции остеопороза и прочности костей. J Мед Биолог Инж. 2005; 21:1049–56. [PubMed] [Академия Google]
7. Томар В. Взгляд на влияние растягивающих и сжимающих нагрузок на микроструктурно-зависимый перелом трабекулярной кости. J Eng Fract Mech. 2009; 76: 884–97. [Google Scholar]
8. Бейли А.Дж., Пол Р.Г., Нотт Л. Механизмы созревания и старения коллагена. Механическое старение Dev. 1998; 106:1–56. [PubMed] [Google Scholar]
9. Бакар М.С., Ченг М.Х., Тан С.М., Ю С.К. Свойства растяжения, усталость при растяжении и биологическая реакция композитов полиэфирэфиркетон-гидроксиапатит для несущих ортопедических имплантатов.
J Биоматериалы. 2003; 24:2245–50. [PubMed] [Академия Google]
10. Налла Р.К., Крузич Дж.Дж., Кинни Дж.Х., Балуч М., Ричи Р.О. Роль микроструктуры в возрастном ухудшении прочности кортикальной кости человека. J Mater Sci Eng. 2006; 26:1251–60. [Google Scholar]
11. Ричи Р.О., Кинни Дж.Х., Крузич Дж.Дж., Налла Р.К. Перелом кортикальной кости в энциклопедии биомедицинской инженерии Wiley. 2006: 32–45. [Google Scholar]
12. Налла Р.К., Крузич Дж.Дж., Кинни Дж.Х., Ричи Р.О. Влияние старения на прочность кортикальной кости человека: оценка по R-кривым. Кость. 2004; 35:1240–6. [PubMed] [Академия Google]
13. Грей Р.Дж., Корбахер Г. Усталостное поведение бычьей компактной кости. Дж. Биомех. 1974; 7: 287–92. [PubMed] [Google Scholar]
14. Winwood K, Zioupos P, Currey JD, Cotton JR, Taylor M. Важность эластичных и пластических компонентов деформации при растяжении и сжатии кортикальной кости человека в связи с ортопедической биомеханикой. . J Musculoskelet Нейрональное взаимодействие.
2006; 6: 134–41. [PubMed] [Google Scholar]
15. Новицкая Э., Чен П.Ю., Хамед Э., Ли Дж., Лубарда В.А., Ясюк И. и соавт. Последние достижения в измерении и расчете модулей упругости кортикальной и трабекулярной костей: обзор. J Theoret Appl Mech. 2011;38:209–97. [Google Scholar]
16. Kotha SP, Guzelsu N. Повреждение при растяжении и его влияние на кортикальный слой кости. Дж. Биомех. 2003; 36: 1683–9. [PubMed] [Google Scholar]
17. Rho JY, Zioupos P, Curry JD, Pharr GM. Эластичность микроструктуры и региональная неоднородность бедренной кости человека разного возраста, изученные методом наноиндентирования. Дж. Биомех. 2002; 35: 189–98. [PubMed] [Google Scholar]
18. Kotha SP, Guzelsu N. Моделирование механического поведения кости при растяжении в продольном направлении. Дж Теор Биол. 2002;219: 269–79. [PubMed] [Google Scholar]
19. Гупта Х.С., Зиупос П. Перелом костной ткани: как и почему. J Med Eng Phys. 2008;30:1209–26. [PubMed] [Google Scholar]
20.
Hoffler CE, Moore KE, Kozloff K, Zysset PK, Goldstein SA. Возраст, пол и модули упругости костных ламелей. J Ортоп Res. 2000;18:432–7. [PubMed] [Google Scholar]
21. Luo G, Kaufman JJ, Chiabrera A, Bianco B, Kinney JH, Haupt D, et al. Вычислительные методы ультразвуковой оценки костей. Ультразвук Медицина Биол. 1999;25:823–30. [PubMed] [Google Scholar]
22. George WT, Vashishth D. Восприимчивость стареющей человеческой кости к переломам смешанного типа увеличивает хрупкость кости. Кость. 2006; 38: 105–11. [PubMed] [Google Scholar]
Напряжение сжатия: 5 важных фактов —
Что такое сжимающая сила?напряжение сжатия Формула напряжения сжатия:Свойства материала при растяжении и сжатии представляют собой осевые нагрузки вдоль ортогональных осей. Нагрузки, которые растягиваются на границах системы, описываются как растягивающие нагрузки, а сжимаемые на границах системы описываются как сжимающие нагрузки.
Внешняя сила, приложенная к телу, деформирует тело таким образом, что тело уменьшается в объеме, а длина называется сжимающим напряжением.
Восстановленная деформация тела при воздействии внешней сжимающей нагрузки. Увеличение напряжения сжатия для тонких длинных цилиндров имеет тенденцию к структурному разрушению из-за коробления колонн. Когда материал не выдерживает сжатия, происходит коробление под напряжением.
Нормальная сила приложена к единице площади.
Σ = F/A
Где,
Сила сжатия (F): сила сжатия – это нагрузка, необходимая для сжатия материала для соединения материала.
Единица напряжения сжатия:Единица СИ такая же, как единица силы по отношению к единице площади.
Итак, он представлен как Н/м 2 или Па.
Размер напряжения сжатия:Размер напряжения сжатия [ML -1 T -2 ] .
Напряжение сжатия положительное или отрицательное? Ответ: сжимающее напряжение отрицательно, так как оно сжимается, так как изменение размера (dL) имеет противоположное направление.
Ответ: Нет, деформация при растяжении и сжатии не одно и то же. Значение будет меняться в зависимости от применимости.
Прочность на сжатие:Это способность материала выдерживать сжатие, возникающее из-за напряжения сжатия. Есть материалы, которые могут выдерживать только растяжение, некоторые материалы могут выдерживать только сжатие, а есть материалы, которые могут выдерживать как растяжение, так и сжатие. Предельная прочность на сжатие – это значение, полученное при полном разрушении материала. Испытание на сжатие проводится так же, как и испытание на растяжение. Единственная разница заключается в том, что используемая нагрузка является сжимающей нагрузкой.
Прочность на сжатие выше в камне и бетоне. Изображение предоставлено: Ironpole на en.wikipedia, Инженерное напряжение, CC BY-SA 3.0
Напряжение сжатия мягкой стали | низкоуглеродистая сталь: Материалом, который подвергается большим деформациям перед разрушением, являются пластичные материалы, такие как мягкая сталь, алюминий и его сплавы.
Хрупкие материалы, когда подвергается сжимающему напряжению, возникает разрыв из-за внезапного высвобождения накопленной энергии. Принимая во внимание, что когда пластичный материал подвергается сжимающему напряжению, материал сжимается, и деформация происходит без какого-либо разрушения.
| Напряжение сжатия | Напряжение растяжения | |
| Напряжения сжатия после вдавливания материала. | Напряжение растяжения при растяжении материала | |
| Толкание или вытягивание | Принимая во внимание, что сжимающее напряжение — это толчок, придаваемый телу внешними силами для изменения его формы и размера. | Растягивающее напряжение – это тяга, прикладываемая к телу внешними силами для изменения его формы и размера. |
| Сжатие или удлинение | Напряжение сжатия создается за счет внешней сжимающей силы | Напряжение растяжения возникает из-за того, что сила удлинения стремится к растяжению. |
| Применение на стержне | Когда стержень подвергается сжимающему напряжению, деформации являются сжимающими (отрицательными). | Когда стержень подвергается растягивающему напряжению, деформации являются растягивающими (положительными). |
При испытании на сжатие кривая напряжения-деформации представляет собой прямую линию до предела упругости. За этой точкой отчетливый изгиб кривой, представляющий начало пластичности; точка показывает комбинированный предел текучести при сжатии, который напрямую связан с остаточным напряжением. Увеличение остаточного напряжения увеличивает напряжение сжатия.
В испытании на сжатие линейная область является упругой областью, подчиняющейся закону Гука. Следовательно, область может быть представлена как
E = модуль Юнга
В этой области материал ведет себя упруго и возвращается в исходное положение за счет снятия напряжения.
Предел текучести:Это точка, где заканчивается упругость и начинается область пластичности. Таким образом, после предела текучести материал не сможет вернуться в свою действительную форму после снятия напряжения.
Установлено, что если кристаллический материал подвергается сжатию, кривая напряжения-деформации противоположна приложениям растяжения в упругой области. Кривые растяжения и сжатия изменяются при больших деформациях (деформациях), так как при сжатии материала происходит сжатие, а при растяжении материал испытывает пластическую деформацию.
Напряжение-деформация при растяжении | испытание на растяжение: Изображение предоставлено: Никогуаро, «Стресс-деформация, пластичность», CC BY 4.
0 Линия OA: Предел пропорциональности Строка OA представляет пропорциональный предел. Пропорциональный предел — это предел до тех пор, пока напряжение не станет пропорциональным деформации в соответствии с законом Крюка. По мере увеличения напряжения увеличивается деформация материала.
Точка A: Предел упругости:В этой точке было приложено максимальное напряжение в твердом материале. Эта точка называется пределом упругости. Материал в пределах предела упругости будет деформироваться, и после снятия напряжения материал вернется в свое фактическое положение.
Что такое упругопластическая область? Упругопластическая область:Точка B: Верхний предел текучестиЭто область между точкой текучести и точкой упругости.
Точка C: нижний предел текучестиПластическая деформация начинается с дислокации кристаллической структуры.
Это смещение становится больше после достижения верхнего предела текучести и ограничивает его движение, эта характеристика известна как деформационное упрочнение.Постоянная деформация: Верхний предел текучести:Это точка, после которой начинают проявляться такие характеристики, как деформационное упрочнение. И замечено, что за пределом упругости возникает такое свойство, как пластическая деформация.
Нижний предел текучести:Точка, в которой прикладывается максимальная нагрузка или напряжение для начала пластической деформации.
Верхний предел текучести нестабилен из-за движения кристаллических дислокаций.
Предел минимальной нагрузки или напряжения, необходимый для сохранения пластических свойств.
Нижний предел текучести стабилен, так как отсутствует движение кристаллитов.
Напряжение — это сопротивление материала при воздействии внешней нагрузки, а деформационное упрочнение — медленное увеличение сопротивления из-за увеличения количества дислокаций в материале.
Точка D: точка предельного напряженияТочка E: Точка разрываПредставляет собой предельную точку напряжения. Максимальное напряжение может выдержать предельное напряжение. После увеличения нагрузки происходит отказ.
Примеры задач напряжения сжатия| ПриложенияПредставляет собой точку разрушения или разрыва. Когда материал подвергается быстрой деформации после точки предельного напряжения, это приводит к разрушению материала. При этом в материале происходила максимальная деформация.
- Авиакосмическая и автомобильная промышленность: Испытания на срабатывание и испытания пружин
- Строительная промышленность: Строительная отрасль напрямую зависит от прочности материалов на сжатие. Столб, кровля построены с использованием напряжения сжатия.
- Бетонная колонна: В бетонной колонне материал сжимается под действием напряжения сжатия.
- Материал спрессован, чтобы избежать разрушения здания. Он имеет устойчивое количество напряженной накопленной энергии.
- Косметическая промышленность: уплотнение компактной пудры, карандашей для глаз, бальзамов для губ, помады, теней для век производится путем приложения сжимающего напряжения.
- Упаковочная промышленность: картонная упаковка, прессованные бутылки, ПЭТ-бутылки.
- Фармацевтическая промышленность: В фармацевтической промышленности в основном используется напряжение сжатия.
- Дробление, уплотнение, измельчение осуществляется при изготовлении таблеток. Твердость и прочность на сжатие являются важной частью фармацевтической промышленности.
- Спортивная индустрия: мячи для крикета, тенниса, баскетбола сжаты, чтобы сделать их более жесткими.
Столб, кровля построены с использованием напряжения сжатия. 
Испытание на сжатие — это определение поведения материала под действием сжимающей нагрузки.
Испытание на сжатие обычно используется для камня и бетона. Испытание на сжатие дает напряжение и деформацию материала. Экспериментальный результат должен подтвердить теоретические выводы.
Виды испытаний на сжатие:- Испытание на изгиб
- Испытание на пружину
- Испытание на сжатие
- 3 Испытание на сжатие целостность и параметр безопасности материала при выдерживании сжимающих напряжений. Он также обеспечивает сохранность готовых изделий, комплектующих, изготавливаемых инструментов. Он определяет, подходит ли материал для этой цели и изготовлен ли он соответствующим образом.
Тесты сжатия предоставляют данные для следующих целей:
- для измерения качества партии
- , чтобы понять консистенцию в производстве
- , чтобы помочь в процедуре проектирования
- 7979797797979797979797979797 гг.
- Чтобы гарантировать качество в соответствии с международными стандартами и т. д.
Машины для испытания на сжатие включают измерения свойств материала, таких как модуль Юнга, предел прочности при сжатии, предел текучести и т. д., следовательно, общая статика прочностные характеристики материалов при сжатии.
Устройство сжатия сконфигурировано для нескольких приложений. Благодаря конструкции машины, она может выполнять испытания на растяжение, циклические испытания, сдвиг, изгиб.
Испытание на сжатие проводят так же, как испытание на растяжение.
Прочность на сжатие различных материалов: · Прочность на сжатие бетона: 17 МПа-27 МПа · Прочность на сжатие стали: 25 МПа · Прочность на сжатие гранита: 70-130 МПа · Прочность на сжатие цемента: 11,5–11,5 0241 · Предел текучести алюминия при сжатии: 280 МПа Какое допустимое напряжение сжатия для стали? В обоих тестах происходит только изменение нагрузки. В машинах для испытаний на растяжение используются растягивающие нагрузки, тогда как в машинах для испытаний на сжатие используются сжимающие нагрузки.Ответ: Допустимые напряжения обычно измеряются структурными нормами такого металла, как сталь и алюминий. Он представлен долей предела текучести (силы)
Что такое прочность бетона на сжатие в зависимости от возраста?Это минимальная прочность на сжатие, полученная при стандартном испытании 28-дневного бетонного цилиндра.
Для измерения прочности бетона на сжатие требуется от 28 до 35 МПа в течение 28 дней.
Прочность бетона на сжатие: Проблемы напряжения на сжатие: Задача №1 Стальной стержень диаметром 70 мм и длиной 3 м окружен чугунной оболочкой . Рассчитайте сжимающую нагрузку для комбинированного стержня 0,7 мм длиной 3 м. ( Е 9{2}= 0,7P сталь =57166,66 π N
Σ F V = 0
3 P 8
2 7 P
чугун + P стальP =50306,66 π +57166,66 π
P =107473,32 π P
38 =337,63 кН Задача № 2: Вес статуи 10 кН равен лежит на ровной поверхности на вершине столба высотой 6,0 м. Площадь поперечного сечения башни 0,20 м 93 кг.3 N
Вес сегмента башни
W p = мг =(1,60×103*9,8)=15,68 кН.
- 3 Испытание на сжатие целостность и параметр безопасности материала при выдерживании сжимающих напряжений. Он также обеспечивает сохранность готовых изделий, комплектующих, изготавливаемых инструментов. Он определяет, подходит ли материал для этой цели и изготовлен ли он соответствующим образом.
В обоих тестах происходит только изменение нагрузки. В машинах для испытаний на растяжение используются растягивающие нагрузки, тогда как в машинах для испытаний на сжатие используются сжимающие нагрузки.
