轴向压缩荷载系统

随着物质生活水平的提高和生活方式的改变心血管疾病发病率越来越高，由于心血管狭窄引起的冠心病已经成为危及人们健康的主要疾病之一。目前,冠心病的治疗分为药物治疗、外科手术和介入治疗三大类.药物治疗周期长、见效慢、副作用大，患者容易产生对药物的依赖性 外科手术会对病人产生伤害:介入性治疗方法因其微创伤和高效性,成为目前治疗心血管狭窄的新型方法。 目前,国内外医用支架研究主要集中的方面包括:应用新工艺、新思想的医用支架的设计、加工 医用支架及其制造材料的生物相容性研究 医用支架的应力、应变、位移等力学测试研究 医用支架在体内的成像技术研究 医用支架工作过程中的生物力学分析等方面。 血管支架的安全性和有效性的评价指标包括支架的表面覆盖率、支架的轴向短缩率、支架的弯曲旋转和轴向压缩疲劳、支架推送性能、回撤性能、柔顺性以及弯曲性能等，由于血管支架植人到中年人的血管后要经受1.5~2千万次搏动性刺激、弯曲旋转、轴向压缩等不同形式的外力作用，血管支架的机械性能也需要延续时间很长地暴露在一定的环境中进行实验，并通过一定的测试数据回顾来观察支架植人到血管内的变化"血管支架植人人体血管后，受到的不仅仅是血管脉动的压力，还有扭转、弯曲、拉伸和压缩等多向的受力，在径向力方面，不仅会受到来自靶病变血管和斑块的径向挤压，还会承受支架内外血压、组织及体液的压力。在轴向上，血管自身的迂曲结构，会使血管支架产生弯曲、扭转变形，血管支架需具备足够的柔顺性，保证血管支架植人人体后有更好的贴壁性，并且不会对血管壁造成损伤。而支架的物理力学性能则保证了血管支架使用中的有效性，是决定临床使用效果的关键因素。物理力学性能涉及的指标较多，而且各性能间互相影响，选择其中较为重要的性能指标进行实验研究，便于了解血管支架的差异性，完善检测方法，从而更好地评价血管支架的产品性能。凯尔测控试验系统（天津）有限公司设计开发的一款血管支架疲劳试验系统可以通过模拟生理应变脉动环境来检测血管内植入物的疲劳特性，可检测物包括支架、补片和滤器等。模拟血管可满足多数量多样本的测试、双音圈电机对称加载，动态性能优秀试验系统运行稳定可满足更高测试频率和亿万周期*运行激光测量系统可对径向应变进行直接测量详细介绍血管支架疲劳试验系统◇ 通过模拟生理脉动环境，实现对模拟血管和支架的径向应变控制，满足多周期高频率疲劳测试需求；◇ 最多支持6样品工位同时测试，可定制连接器以适配多种管径；◇ 试验系统运行稳定，无需长期值守，配有漏水报警停机功能；◇ 双音圈电机对称加载，动态性能优秀，相位自动调整，防止植入物偏移；◇ 激光测量系统可实时采集高精度径向应变数据并记录，软件内嵌数学计算功能可自动计算实时内径； 系统组成：闭环运动控制系统、脉动压力反馈耦合控制系统、径向应变反馈耦合控制系统、温控系统，可模拟体内环境下的血管的 径向扩张与收缩。 参考标准：YY/T 0808-2010 血管支架体外脉动耐久性标准测试方法ASTM F2477-07 血管支架体外搏动耐久性测试的标准试验方法血管支架疲劳试验系统技术参数：模拟血管数量 ≤6根 血管直径范围 2-50mm 血管长度范围 140-320mm 最大径向应变 ≥5% 径向应变分辨率 ≤0.1%FS 最大测试频率 100Hz 工作压力范围 0-300mmHg 工作压力分辨率 ≤0.1%FS 温控范围 37±2℃ 控制方式 径向应变控制、压力控制 作动形式 双电机对称加载，防止支架漂移 主机重量 约70kg 外形尺寸 约1500*300*600(mm)

由于其特异的宏微观基元拓扑构型，力学超材料在刚度、韧性、减隔振和热膨胀等性能方面显著优于传统均质材料，受到了航空航天、生物医学、电子电路和土木工程等领域的广泛关注。生物体经过长期进化形成的各类器官，与超材料的概念相契合，即通过多层级微结构实现超常物理力学特性，同时生物器官的微结构基元还呈现出梯度渐变、长程无序等特征。目前，针对力学超材料发展的拓扑优化方法和机器学习设计方法，主要面向周期性结构，对于仿生梯度超材料的逆向设计和优化，缺乏高效率、高保真的计算分析方法。 图1深度神经多网络系统实现多属性胞元的定制总体思路框图近期，来自北京理工大学的研究者们提出了一种加速梯度力学超材料逆向设计的深度学习方法。发展了一种由对抗神经网络(GAN)、性能预测网络(PPN)和结构生成网络(SGN)组成的多重网络深度学习框架，如图1所示，可实现力学性能参数和拓扑构型的快速双向映射。基于此深度学习框架，将各向异性材料杨氏模量、剪切模量和泊松比组成的属性空间，类比于R-G-B色彩空间，进而将梯度力学超材料逆向设计转换为色彩匹配问题。利用HTL树脂3D打印（NanoArch S140，摩方精密）制备了超材料结构样件，采用数字图像相关（DIC）方法验证了逆向设计的有效性。相关成果以“A Deep Learning Approach for Reverse Design of Gradient Mechanical Metamaterials”为题发表在《International Journal of Mechanical Sciences》期刊。图2 周期性超材料的应力应变曲线和泊松比应变曲线，其中左侧插图为3D打印试件，右侧插图为有限元分析模型。（a） 正泊松比结构。（b）零泊松比结构。（c）负泊松比结构；该研究中，首先基于拓扑优化方法得到了不同杨氏模量E、泊松比υ和剪切模量G的超材料胞元，并建立对应的属性空间作为数据样本。随后，基于Keras平台搭建了具备三个卷积解码/编码网络的深度神经网络系统，用于实现结构性能评估、结构补充与结构生成。基于拓扑优化样本实现PPN网络的离线训练，同时结合随机结构训练GAN网络以补充胞元属性空间。最后，基于属性空间扩充后的样本进一步训练SGN网络，对于任意的力学参数目标，均可在0.01秒内给出胞元构型，实现了多属性胞元的快速逆向设计。针对优化设计和网络预测得到的特定属性结构进行3D打印（如图2所示），并开展DIC压缩试验表征了其模量与泊松比，验证了算法的准确性和有效性。 图3 相邻胞元结构连通性的实现：（a）单元边界的定义和连接的分类（具有不同颜色的结构表示不同的属性）；（b）SGN网络调整初始设计；（c）经过网络匹配得到的最终结构。在超材料胞元快速逆向设计的基础上，创新提出了一种结构像素化方法，通过结构的E-υ-G属性与R-G-B通道一一映射，将结构属性数据库转化为像素数据库。首先基于像素匹配的方式生成满足宏观属性需求的初始设计，随后网络系统根据结构的连通性要求进一步优化胞元结构，保证宏观结构的可制造性，如图3所示。研究者们以髋关节假体为例，开展了梯度超材料结构的快速设计。如图4所示，髋关节假体在人体中主要承受非轴向载荷，如果嵌入骨骼中的部分发生弯曲，受到弯曲拉应力作用的一侧，将牵引其上附着的骨组织，诱发组织损伤。模仿实际骨骼的力学属性分布特征，采用神经网络系统在不同位置自动排列模量与泊松比梯度变化的超材料胞元（图5），从而调整了宏观结构的变形模式，使髋关节植入结构的两侧，均保持在压应力状态，解决了假体界面失效的问题。计算模型基于围绕假体的凹槽，用于模拟假体插入骨骼,固定凹槽的底端并在假体的顶部施加非对称压缩载荷。同时他们还建立了一个多材料模型，每个晶胞区域代表一种材料，材料性质与超材料模型中相同位置的晶胞的E-G-υ一致。两种模型的水平位移计算结果如图5f所示，槽左侧的位移为负，而右侧的位移为正，这表明假体两侧的界面被均匀挤压。假体与骨牢固结合，有效防止界面破坏，梯度结构具有完美的连接状态，类似于超材料模型的设计目标。超材料模型和多材料模型的计算结果高度一致，证实了他们提出的超材料设计方法的准确性，这种有效的连接策略在满足增材制造要求的同时实现了与多材料设计相同的性能。图4 人体髋关节假体的受力状态。（从外到内为皮肤、髋骨和假体。假体受到不对称轴向压缩力作用，中间的粉红色区域被选为目标设计区域。） 图5 深度神经网络系统实现梯度模量/泊松比髋关节结构设计：（a）具有生物相似结构的梯度模量分布；（b）受变形模式启发的泊松比分布；（c）叠加后的最终力学性能分布；（d）GSN网络在像素匹配后调整结构；（e）满足目标模量和泊松比设计要求的超材料髋关节结构。（f）模拟假体受载的位移云图，等效多材料模型（上）和超材料模型（下）。

MTS 370系列荷载框架为Landmark® 和Bionix® 材料测试系统的基础。今年6月，随着第1000台MTS 370系列荷载框架成功交付给客户方DePuy Synthes（一家骨科植入物的生产商），MTS迎来了又一里程碑事件。 MTS向位于美国印第安纳州的DePuy实验室交付了10台材料试验设备，用于髋关节植入物的疲劳试验。迄今为止，截止2013年5月，MTS 370系列的载荷框架销售额累计达到1亿5千万美元， 安装范围涉及从阿尔及利亚到越南等39个国家，销售客户达到616家公司，其中13家公司已经先后购买了10台或10台以上设备。 近年来，MTS 370系列载荷框架产品的销售呈上升趋势。虽然前500台载荷框架的销售耗时3年多，但此后500台的销售仅用了不到2年的时间。销售的上升一部分是由于一项技术发展计划，即复合材料和金属材料结合的技术：100多台载荷框架已经用于SAFRAN集团的材料试验，它们主要是给SNECMA/GENERAL ELECTRIC公司进行新技术的开发。 随着2007年开始启动高性能MTS 370系列载荷框架系列产品的研发，MTS开始了对未来事业的投资。MTS 370系列载荷框架设计旨在满足各种各样零部件和材料样品的动、静态试验要求。与以前产品相比，MTS 370系列载荷框架对零部件配件数量的要求大大降低，因此，MTS各种型号产品能够实现更加标准化及更加经济的配置及生产。 客户偏向于配置（能够满足其不同需求的）载荷框架 在开始启动Landmark系列产品之前的几年，Scott Firman利用了一套&ldquo 扑克牌&rdquo 对客户进行了调研。这些牌的一面是载荷框架的照片，另一面是客户偏好的主要特色。当他询问客户对标准化MTS产品最喜欢的特色是什么，绝大多数的客户反馈他们希望根据自己的试验要求配置独一无二的载荷框架。 Firman说，&ldquo 我们对此感到很惊讶，客户想要的是能够准确满足他们需求的产品&rdquo 。这就是Landmark产品模块化设计的优势。Landmark产品不仅能够使客户获得高度可配置的产品以便满足他们不同的需求，而且还能使工厂获得标准化的产品所带来的一切便益。 客户其他的偏好包括： 准确满足其试验需求 易于更改试验设置 易于升级 易于安装 意外的试验中断不会损坏试件 易于购置 框架能够显示设备/试验状态 高性能设备 开关机简便 设备易于操作 易于确定（试样）性能 界面友好 外形美观 价格优惠 交货期较短 试验速度快 设计上优于最低安全要求 供应商遵循自愿性标准 正常运行时间长 设备运行操作无污染