Быстросъемная система установки образцов для испытания материалов на двухосное растяжение (варианты) Российский патент 2024 года по МПК G01N1/36 G01N3/04 G01N3/08 

Изобретение относится к области испытания механических свойств материалов, например, биоматериалов, на двухосное (плоское) растяжение, в частности к устройствам для установки образцов в стенд для проведения испытаний материалов или для установки в испытательную машину.

При испытании мягких тканей и биоматериалов особое внимание уделяется отбору, размерам образца и способам его фиксации в экспериментальной установке. Стандартно образец закрепляется одним из трех способов: жесткий зажим (тиски) с вариативными контактными поверхностями, балансные шкивы с крючками и фиксаторы грабельного типа. С точки зрения скорости закрепления образца, жесткий зажим (тиски) является самым быстрым и простым - не требующим специфичных навыков. Однако в местах крепления концентрируются напряжения, что при малом размере образца может существенно исказить результаты эксперимента (наблюдаются краевые эффекты). Отметим, что одним из условий “эффективного” закрепления образца при проведении экспериментов является равномерное распределение усилий в образце, как минимум в его центральной части. В случае жестких зажимов для выполнения этого условия используют крестообразный образец, который невозможно аккуратно подготовить в случае биоматериалов малых размеров. Во избежание подобных проблем образцы малого размера фиксируют граблями или системой из шкивов и крючков (или шовным материалом).

Тестирование образцов с помощью системы балансных шкивов и крючков обеспечивает более равномерное приложение силы по всему образцу, позволяя ему проявлять анизотропную реакцию на нагрузку - сдвиговые деформации и твердотельные вращения во время испытания. Но при таком методе фиксации сложно добиться оперативной установки и повторяемости эксперимента. Необходимы особые навыки, чтобы закрепить крючок на точном расстоянии от соседнего крючка, особенно, если размеры образца меньше 10 мм. Также установка крючков может вызвать нежелательную предварительную нагрузку на образец в точках прокола.

Третий метод крепления - грабли, наиболее часто применяют при двухосном тестировании. Фиксация образцов этим методом является своеобразным “золотым стандартом” для двухосного испытания мягких тканей и биоматериалов, так как она является компромиссом скорости и повторяемости установки образца.

Грабли, при точной фиксации образца, равномерно распределяют нагрузку по образцу, однако, лишают его свободы движений, сдвига и анизотропного ответа на приложенную нагрузку. Согласно численным исследованиям, известным из открытых источников (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26854936/), зубья каждого крепления-грабли должны быть максимально и равномерно удалены друг от друга, при этом крайние зубья креплений-граблей необходимо располагать максимально близко к зубьям соседнего крепления-грабли. При неравномерной установке образца нарушается однородность поля деформаций и напряжений, что является важнейшим фактором успешного эксперимента. Поэтому важно соблюдать повторяемую фиксацию образца на фиксаторах.

Из уровня техники известны зажимные фиксаторы образцов (Standardized tensile testing of soft tissue using a 3D printed clamping system: https://doi.org/10.1016/j.ohx.2020.e00159). Основные недостатки таких фиксаторов описаны выше, однако, также при использовании таких устройств требуется дополнительная система фиксации для монтирования в испытательную машину и минимизации воздействий на образец до эксперимента. Образец в зажимных фиксаторах подвержен влиянию краевых эффектов в области фиксации, что затрудняет интерпретацию результатов исследования.

Из уровня техники известны фиксаторы грабельного типа, которые устанавливаются на платформы с канавками (Design of a Biaxial Test Device to Measure Soft Tissue Properties: https://digital.wpi.edu/downloads/fj236361j?locale=en). Недостатками такой конструкции является то, что конструкция содержит большое количество независимых элементов, что делает систематическую и точную установку образцов невозможной. После прокалывания зубьями образца, зубья грабель могут деформировать и разрывать образец до начала исследования, например, в процессе установки образца в испытательный стенд. При этом в работе подробно не раскрывается как монтировать образец в испытательную машину в сборе.

Из уровня техники известен прибор для испытания текстильных и полимерных материалов на растяжение по патентному документу SU 229832 (МПК: G01N 3/08, дата публикации: 23.10.1968). Прибор для испытания текстильных и полимерных материалов на растяжение содержит зажимы, перемещающиеся возвратно-поступательно в вертикальной плоскости, и неподвижный пуансон, содержащий свободно вращающиеся опорные ролики, при этом каждый из зажимов посредством упругой пластины шарнирно смонтирован на стержне, связанном при помощи направляющей с подвижной в вертикальной плоскости платформой.

Недостатком устройства является использование зажимных фиксаторов, а также невозможность применения для испытания образцов малых размеров и образцов из мягких тканей.

Из уровня техники известно устройство для исследования деформационных свойств материалов по патентному документу RU 102802 (МПК: G01N 3/08, дата публикации: 10.03.2011). Устройство для испытания материалов содержит четыре зажима для закрепления образца испытуемого материала, шарнирно соединенных с четырьмя независимыми нагружающими приспособлениями, каждое из которых в виде двух винтов с противоположной резьбой, вкручиваемых в муфту с двумя резьбовыми отверстиями, два нагружающих приспособления шарнирно закреплены на стойках, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направляющих, два других нагружающих приспособления соединены с силоизмерителями, также закрепленными на стойках. Устройство предназначено для определения деформационных свойств анизотропных материалов при одноосном и двухосном (плоском) растяжении и может быть использовано в научно-исследовательских целях, в легкой промышленности и сфере бытовых услуг.

Недостатком устройства является также использование зажимных фиксаторов. Образец при таком способе фиксации и установке в испытательный стенд подвержен влиянию краевых эффектов в области фиксации, что затрудняет интерпретацию результатов исследования.

Из уровня техники известен стенд для проведения испытаний на двухосное растяжение-сжатие по патентному документу RU 2799978 (МПК: G01N 3/08, G01N 3/02, дата публикации: 14.07.2023). Стенд для проведения испытаний на двухосное растяжение-сжатие, содержащий основание, на котором установлено двухосное нагружающее устройство, содержащее расположенные на взаимно перпендикулярных осях четыре силовых блока, каждый из которых связан с одним из четырех захватов образца, четыре датчика усилий растяжения-сжатия, отличающийся тем, что на крестообразном основании, выполненном из алюминиевого сплава, закреплены с помощью штанг, выполненных из аустенитной стали, четыре плиты, расположенные вертикально на основании, выполненные из алюминиевого сплава и имеющие по центру сквозные отверстия, четыре силовых блока, состоящие из двигателя, редуктора и ходового винта, проходящего сквозь сквозное отверстие в плите, причем между ходовыми винтами и захватами, выполненными из аустенитной стали и снабженными переходниками с вкладышами и пальцами из аустенитной стали, расположены четыре тензодатчика, при этом он дополнительно оснащен четырьмя датчиками линейных перемещений, расположенными в держателе, закрепленном на основании, и четырьмя регулируемыми по длине штангами-упорами с вырезами и проходящими через них четырьмя регулируемыми по длине штангами-упорами без вырезов, расположенными между четырьмя плитами, а также П-образным электромагнитом с намагничивающей обмоткой, связанной с управляемым источником тока, и измерительной обмоткой, связанной с флюксметром, при этом выходы тензодатчиков, датчиков линейных перемещений и флюксметра, а также входы контроллеров двигателей и управляемого источника тока связаны с ЭВМ, причем сигналы датчиков обрабатываются автоматически в соответствии с заложенной в ЭВМ программой.

Недостатками стенда являются сложность системы, которая не обеспечивает возможность ее применения для образцов малых размеров или выполненных из мягких тканей.

Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении оперативной установки фиксаторов с образцом в испытательный стенд (испытательную машину) для исследования образцов на двухосное растяжение, в обеспечении надежной установки образцов и удержании их на фиксаторах, в обеспечении равномерного распределения нагрузки по образцу, в обеспечении фиксации и исследования образца без неконтролируемого проскальзывания, в обеспечении установки образца без механического воздействия на область интереса (центральной области образца), а также в обеспечении возможности исследования образцов малых размеров и выполненных их мягких тканей.

В качестве образцов могут быть использованы образцы из биоматериалов, полимерные материалы, образцы из мягких тканей и другие аналогичные по составу и свойствам материалы.

Быстросъемная система установки образцов предназначена для установки фиксаторов с закрепленным на них образцом в испытательный стенд для исследования их на двухосное растяжение.

Технический результат достигается за счет того, что быстросъемная система установки образцов включает монтажную платформу с центральным отверстием, на которой установлены фиксаторы грабельного типа и платформы с канавками, для размещения в них граблей фиксаторов, шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы, при этом концы граблей расположены вдоль граней шаблона-навигатора, прижимную пластину, обеспечивающую фиксацию граблей в канавках платформ.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой гнездо выполнено квадратной формы.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой гнездо выполнено квадратной формы с размером от 5×5 мм до 15×15 мм.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой канавки платформ выполнены с возможностью раздвигания зубьев граблей фиксаторов.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой установлено четыре фиксатора грабельного типа.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой прижимная пластина и монтажная платформа выполнены с возможностью стягивания между собой.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой прижимная пластина содержит внутреннее отверстие, соответствующее или больше размеру шаблона-навигатора.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой прижимная пластина выполнена в форме квадратной рамки.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой монтажная платформа выполнена с возможностью ее съема после установки фиксаторов в испытательный стенд.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой шаблон-навигатор выполнен съемным.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой прижимная пластина выполнена съемной.

Также технический результат достигается за счет того, что быстросъемная система установки образцов, включающая монтажную платформу с центральным отверстием и направляющими, выполненными в виде рельс, фиксаторы со шкивами, при этом фиксаторы установлены на направляющих монтажной платформы и выполнены с возможностью перемещения по рельсам, шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой фиксаторы содержат крючки или иглы для фиксации образца, размещенные на фиксаторах с помощью шовного материала.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой центральное отверстие монтажной платформы выполнено квадратной формы.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой монтажная платформа содержит четыре направляющие.

Существует вариант быстросъемной системы установки образцов, в которой шаблон-навигатор выполнен съемным.

Заявленные варианты быстросъемных систем установки образцов поясняются следующими фигурами.

Фиг. 1 - быстросъемная система установки образцов по первому варианту в собранном виде.

Фиг. 2 - процесс установки образца в быстросъемную систему установки образцов по первому варианту.

Фиг. 3 - фото быстросъемной системы установки образцов по первому варианту в собранном виде.

Фиг. 4 - этап установки быстросъемной системы установки образцов по первому варианту в испытательный стенд (испытательную машину).

Фиг. 5 - фиксаторы, установленные в испытательный стенд, с помощью быстросъемной системы установки образцов по первому варианту.

Фиг. 6 - быстросъемная система установки образцов по второму варианту.

Фиг. 7 - фиксаторы, установленные в испытательный стенд, с помощью быстросъемной системы установки образцов по второму варианту.

Заявленная быстросъемная система установки образцов по первому варианту (фиг. 1) выполнена следующим образом.

Быстросъемная система установки образцов по первому варианту (фиг. 1, 2) включает монтажную платформу 1 с центральным отверстием 2, на которой установлены фиксаторы 3 грабельного типа и платформы 4 с канавками, для размещения в них граблей 5 фиксаторов, шаблон-навигатор 6 для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия 2 монтажной платформы 1. При этом концы граблей 5 расположены вдоль граней шаблона-навигатора 6, прижимную пластину 7, обеспечивающую фиксацию граблей 5 в канавках платформ 4.

Быстросъемная монтажная платформа по первому варианту позволяет установить и предварительно спозиционировать грабли для прокалывания образца по шаблону-навигатору. Шаблон-навигатор может изготавливаться с учетом оптимальной дистанции между точками проколов для равномерного распределения нагрузки по образцу согласно численным расчетам (пример расчетов приведен в открытых источниках:

https://www.academia.edu/83329245/Planar_biaxial_testing_of_soft_biological_tissue_

using_rakes_A_critical_analysis_of_protocol_and_fitting_process). За весь процесс установки образца в испытательную машину контакт с образцом минимизирован.

Фиксаторы грабельного типа монтируются, например, в прямоугольные пазы с плунжерами монтажной платформы. Грабли ложатся на платформы с канавками, в зависимости от размера образца грабли можно сдвигать и раздвигать, которые закреплены на монтажной платформе. Далее, грабли стягиваются с канавками прижимной пластиной. В центре конструкции предусмотрено гнездо - отверстие, например, квадратной формы. Конструкция быстросъемной системы установки по первому варианту надевается на шаблон-навигатор с образцом на поверхности. Грабли при этом прокалывают образец по шаблону, обеспечивая систематическую и равномерную фиксацию образца. После прокалывания шаблон-навигатор изымается, а конструкция в сборе монтируется на кронштейны фиксаторов испытательной машины. Прижимная пластина демонтируется, монтажная платформа отщелкивается нажатием на ее свободные поверхности.

Быстросъемная система установки образцов по второму варианту (фиг. 6, 7) включает монтажную платформу 8 с центральным отверстием 9 и направляющими 10, выполненными в виде рельс, фиксаторы 11 со шкивами 12. При этом фиксаторы 11 установлены на направляющих 10 монтажной платформы 8 и выполнены с возможностью перемещения по рельсам. Установка включает шаблон-навигатор 13 для размещения на нем образца 14 и соответствующий или меньше центрального отверстия 9 монтажной платформы 8.

На фиг. 7 представлены элементы испытательной машины (кронштейны фиксаторов), в которые устанавливаются фиксаторы с помощью быстросъемной системы установки образцов.

Быстросъемная система установки образцов по второму варианту позволяет установить и предварительно спозиционировать фиксаторы с помощью фиксаторов со шкивами на рельсах. В центре конструкции установки расположено сквозное отверстие (гнездо) для шаблона-навигатора. Шаблон-навигатор может изготавливается с учетом оптимальной дистанции между точками проколов для равномерного распределения нагрузки по образцу согласно численным расчетам (пример расчетов приведен в открытых источниках

https://www.researchgate.net/publication/268878429_A_Generalized_Method_for_the_

Analysis_of_Planar_Biaxial_Mechanical_Data_Using_Tethered_Testing_Configurations).

Образец размещается на верхней грани шаблона-навигатора. Проколы образца осуществляются атравматическими иглами, например, последовательно - по две пары на ребро по шаблону-навигатору, вне монтажной платформы. В пару игл впрессована шелковая нить или альтернативный шовный материал. После прокола всех ребер (краев) образца формируют восемь петель шовного материала для их набрасывания на шкивы фиксаторов. Шаблон-навигатор с проколотым образцом помещается в гнездо (центральное отверстие) монтажной платформы. По мере необходимости, фиксаторы подгоняются на рельсе для удобства монтажа петель на шкивы. Для минимизации воздействия на образец, ось платформы фиксируется на время установки. Осуществляется предварительное натяжение шовного материала. Шаблон-навигатор изымается, фиксаторы позиционируются таким образом, чтобы образец равномерно распределился без шаблона-навигатора. Конструкция в сборе монтируется на кронштейны 15 фиксатора стенда для испытаний (испытательной машины).

Таким образом, заявленные варианты быстросъемных систем установки образца обеспечивают оперативную установку фиксаторов с образцом в испытательный стенд для исследования образцов на двухосное растяжение, надежную установку образцов и удержание их на фиксаторах, равномерное распределение нагрузки по образцу, фиксацию и исследование образца без неконтролируемого проскальзывания, установку образца без механического воздействия на область интереса (центральной области образца), возможность исследования образцов малых размеров и выполненных их мягких тканей.

Изобретение относится к области испытания механических свойств материалов, например, биоматериалов, на двухосное (плоское) растяжение, в частности к устройствам для установки образцов в стенд для проведения испытаний материалов или для установки в испытательную машину. Быстросъемная система установки образцов по первому варианту включает монтажную платформу с центральным отверстием, на которой установлены фиксаторы грабельного типа и платформы с канавками, для размещения в них граблей фиксаторов, шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы. При этом концы граблей расположены вдоль граней шаблона-навигатора, прижимную пластину, обеспечивающую фиксацию граблей в канавках платформ. Быстросъемная система установки образцов по второму варианту включает монтажную платформу с центральным отверстием и направляющими, выполненными в виде рельс, фиксаторы со шкивами. При этом фиксаторы установлены на направляющих монтажной платформы и выполнены с возможностью перемещения по рельсам. Установка включает шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы. Технический результат: обеспечение оперативной установки фиксаторов с образцом в испытательный стенд (испытательную машину) для исследования образцов на двухосное растяжение, обеспечение надежной установки образцов и удержании их на фиксаторах, обеспечение равномерного распределения нагрузки по образцу, обеспечение фиксации и исследования образца без неконтролируемого проскальзывания, обеспечение установки образца без механического воздействия на область интереса (центральной области образца), а также обеспечение возможности исследования образцов малых размеров. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Быстросъемная система установки образцов, включающая
монтажную платформу с центральным отверстием, на которой установлены фиксаторы грабельного типа и платформы с канавками, для размещения в них граблей фиксаторов,

шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы, при этом концы граблей расположены вдоль граней шаблона-навигатора,

прижимную пластину, обеспечивающую фиксацию граблей в канавках платформ.

2. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой центральное отверстие выполнено квадратной формы.

3. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой центральное отверстие выполнено квадратной формы с размером от 5×5 мм до 15×15 мм.

4. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой канавки платформ выполнены с возможностью раздвигания зубьев граблей фиксаторов.

5. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой установлено четыре фиксатора грабельного типа.

6. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой прижимная пластина и монтажная платформа выполнены с возможностью стягивания между собой.

7. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой прижимная пластина содержит внутреннее отверстие, соответствующее или больше размеру шаблона-навигатора.

8. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой прижимная пластина выполнена в форме квадратной рамки.

9. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой монтажная платформа выполнена с возможностью ее съема после установки фиксаторов в испытательный стенд.

10. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой шаблон-навигатор выполнен съемным.

11. Быстросъемная система установки образцов по п.1, в которой прижимная пластина выполнена съемной.

12. Быстросъемная система установки образцов, включающая
монтажную платформу с центральным отверстием и направляющими, выполненными в виде рельс,

фиксаторы со шкивами, при этом фиксаторы установлены на направляющих монтажной платформы и выполнены с возможностью перемещения по рельсам,

шаблон-навигатор для размещения на нем образца и соответствующий или меньше центрального отверстия монтажной платформы.

13. Быстросъемная система установки образцов по п.12, в которой фиксаторы содержат крючки или иглы для фиксации образца, размещенные на фиксаторах с помощью шовного материала.

14. Быстросъемная система установки образцов по п.12, в которой центральное отверстие монтажной платформы выполнено квадратной формы.

15. Быстросъемная система установки образцов по п.12, в которой монтажная платформа содержит четыре направляющие.

16. Быстросъемная система установки образцов по п.12, в которой шаблон-навигатор выполнен съемным.