一种关节结构动力学测试装置及方法与流程

1.本发明涉及关节测试领域，特别是涉及一种关节结构动力学测试装置及方法。


背景技术：

2.关节结构作为装配结构是其动力学特性是非线性的，这种非线性的来源可能包括连接界面形状、界面接触、结构损伤和磨损、非理想边界条件或组件材料固有的特征等。为了研究这些关节结构系统特征，并确定系统运行中是否由于关节结构组件的功能异常引起系统功能异常，需要识别技术来评估和表征。
3.现有技术中对关节结构的动力学特性测试时，主要对在体关节进行测试，由于关节结构常由多种组件装配而成，且测试条件存在不可控因素，测试结果受到诸多因素干扰，在体关节结构测试所得到的复杂动力学响应，其准确度差，不能精确反映结构功能状态；此外，实际关节结构运动过程是在一定的载荷条件下进行，现有技术中部分关节结构动力学测试只是对关节结构无负载情况进行测试，该测试结果准确性不高。
4.为解决上述问题，本发明提出一种关节结构动力测试装置及方法，用于对非活体关节施加可控载荷进行测试。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种关节结构动力测试装置及方法，提供一种结构简单、操作方便，用于对离体关节装配体结构施加可控载荷进行测试，通过夹具固定被测关节结构的近端和远端，在固定装置约束条件下运动，通过对被测试离体关节装配体结构施加可控载荷进行结构动力学测试的目的。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种关节结构动力学测试装置及方法，测试装置由支撑立柱、第一横向支架、第二横向支架、滑动装置、固定装置和限位固定柱组成，所述第一横向支架与第二横向支架可拆卸固定在支撑支柱上，所述第一横向支架上可拆卸设置第一滑动轨道和第二滑动轨道，所述第二横向支架上可拆卸设置第三滑动轨道和第四滑动轨道，上滑动结构通过滑动装置可沿第一滑动轨道和第二滑动轨道滑动，下滑动结构通过滑动装置可沿第三滑动轨道和第四滑动轨道滑动，所述上滑动结构与下滑动结构通过限位固定柱改变离体关节装配体结构的初始位置。在动载荷作用下，被测试关节结构沿滑动轨道约束方向运动过程中产生动态响应。通过记录该动态响应，以达到测试装置设计目的。
7.进一步说明，所述上滑动结构沿第一滑动轨道和第二滑动轨道横向平行滑动;所述下滑动结构沿第三滑动轨道和第四滑动轨道横向平行滑动，所述上滑动结构通过第一滑动轨道和第二滑动轨道上设置限位固定柱，用于上滑动结构上下滑动限位或止挡上滑动结构下落；所述下滑动结构通过第三滑动轨道和第四滑动轨道上设置限位固定柱，用于下滑动结构上下滑动限位或止挡下滑动结构下落。
8.进一步说明，所述固定装置为二个以上，上固定装置与下固定装置纵向对称，并可
通过改变滑动轨道形状或水平放置该装置，在关节组件相互接触的前提下，改变使被测关节结构各组件的接触角度及状态；所述固定装置由支柱和圆柱夹具组成，所述固定装置通过支柱可拆卸固定在上滑动结构、下滑动结构上，所述上固定装置垂直于滑动结构设置，所述下固定装置垂直于滑动结构设置，达到上下二个固定装置纵向对称设计。
9.进一步说明，所述圆柱夹具四周设置通孔，所述通孔用于穿越式固定针将关节结构的固定端固定在圆柱夹具内侧中空腔体，以确保关节组件接触端可相互接触，达到设计目的。
10.进一步说明，所述固定装置分别设置在上滑动结构与下滑动结构上，上滑动结构与下滑动结构上设置通孔用于调节固定装置位置，固定装置可以在上滑动结构与下滑动结构上，上下左右移动调节。
11.进一步说明，所述滑动装置与滑动轨道匹配设置可平行滑动。
12.进一步说明，所述滑动装置由滑动部、螺柱和螺帽组成，所述滑动部设置为包裹轨道状，所述滑动部二侧内凸与滑动轨道匹配设置为二侧内凹达到匹配包裹不易脱轨，使上滑动结构、下滑动结构达到平行滑动。
13.进一步说明，所述滑动装置由滑动角件、螺柱和螺帽组成，所述滑动角件由左滑动角件和右滑动角件组成，所述左滑动角件与右滑动角件设置为轨道状，所述左滑动角件与右滑动角件设置为凸状，凹凸配合将左滑动角与右滑动角件夹持在滑动轨道中间平行滑动。
14.进一步说明，所述左滑动角件设置为凸状，将右滑动角件设置为平行通过与滑动轨道匹配设置为左侧为凹状,右侧为平行夹持在滑动轨道中间平行滑动。
15.进一步说明，支撑支柱设置为二根以上，支撑支柱为圆形或其他任何形状，所述圆柱夹具形状优选圆形，也可以为正方形或其他几何形状。
16.本发明另一种测试方法：一种关节结构动力学测试方法，测试方法由激振模块、传感器、采集器模块和显示器模块组成，传感器固定于所测关节结构上，激振模块块对固定装置、支柱施加可控载荷，采集器模块同时对传感器及激振模块荷载进行采集，采集器模块将采集数据传输给显示器模块，通过激振模块块对固定装置、支柱施加可控载荷，达到模型关节结构获得稳定测试的初始环境条件测试。
17.进一步说明，所述显示器模块对采集器模块所传输数据进行显示，通过传感器对所测关节部位通过对固定装置支柱施加可控载荷对关节部位通过显示器模块数据进分析关节载负荷。
18.进一步说明，所述可控载荷受不同激振频率、不同持续时间及不同大小影响；对关节结构未发生损伤情况下及发生损伤后的状态进行检测、监测、对比、诊断。
19.进一步说明，测试方法对所测试关节结构样本进行固定测试，传感器固定于所测关节结构，对所测关节结构产生的物理响应模拟量进行采集记录。
20.进一步说明，所述传感器与样本耦合固定，达到采集结构响应变化的目的；所述传感器可对关节四周任何部位及关节近端或远端进行测试，以测试不同部位之间的载荷。
21.本发明具有以下有益效果：本发明提供一种关节结构动力测试装置及方法，用于对离体关节装配体结构施加
可控载荷进行测试，通过圆柱夹具固定被测关节结构近端和远端，在固定装置与滑动轨道所约束的方向运动，通过对固定装置施加可控载荷对关节进行负载测试的目的。
22.本发明提供一种关节结构动力测试装置及方法，结构简单，操作方便，通过对离体关节装配体结构均匀运动使关节在受限角度内接触，对非活体关节的等距负载进行测试。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的结构示意图。
25.图2为本发明的固定装置可移动状态结构示意图。
26.图3为本发明的滑动装置结构示意图。
27.图4为本发明的滑动装置结构示意图。
28.图5为本发明的滑动装置放大结构示意图。
29.图6为本发明的固定装置结构示意图。
30.图7为本发明的模具传感器安装结构参考示意图。
31.图8为本发明的传感器采集数值图表。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：1-支撑立柱，2-第一横向支架， 21-第一滑动轨道，22-第二滑动轨道，3-第二横向支架，31-第三滑动轨道，32-第四滑动轨道，4-滑动装置，41-螺柱，42-螺帽，43-滑动部，45-左滑动角件，46-右滑动角件，5-固定装置，51-支柱，52-圆柱夹具，53-通孔，6-上滑动结构，7-下滑动结构，8-限位固定柱, 9-激振模块，10-传感器，11-采集器模块，12-显示器模块。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例一：如图1-6所示，本发明为一种关节结构动力学测试装置，测试装置由支撑立柱1、第一横向支架2、第二横向支架3、滑动装置4、固定装置5和限位固定柱8组成，支撑支柱1用于支撑测试装置对关节动力监测装置支撑，支撑支柱1设置为二根或二根以上，支撑支柱1为圆形或其他任何形状，所述第一横向支架2上设置第一滑动轨道21和第二滑动轨道22，上滑动结构6通过滑动装置4可上下滑动在第一滑动轨道21和第二滑动轨道22，所述滑动装置4在第一滑动轨道21和第二滑动轨道22横向平行上下滑动，所述上滑动结构6通过第一滑动轨道21和第二滑动轨道22上设置限位固定柱8，用于上滑动结构6上下滑动限位或止挡上滑动结构6下落目的；所述第二横向支架3上设置第三滑动轨道31和第四滑动轨道32，下滑动结构7通过滑动装置4可上下滑动在第三滑动轨道31和第四滑动轨道32，所述滑动装置4在
第三滑动轨道31和第四滑动轨道32横向平行上下滑动，所述下滑动结构7通过第三滑动轨道31和第四滑动轨道32上设置限位固定柱8，用于下滑动结构上7下滑动限位或止挡下滑动结构7下落目的；所述固定装置4为二个或二个以下（如图1、图2中仅示出二个），上固定装置与下固定装置纵向对称设置，所述固定装置5由支柱51和圆柱夹具52组成，所述上固定装置通过支柱51可拆卸固定在上滑动结构6上，所述上固定装置垂直于滑动结构设置，所述下固定装置通过支柱51可拆卸固定在下滑动结构7上，所述下固定装置垂直于滑动结构设置，所述上滑动结构与下滑动结构通过限位固定柱将关节上下对称限位设计，达到测试装置设计目的；所述圆柱夹具52形状优选圆形，也可以为正方形或其他几何形状，所述圆柱夹具52四周设置通孔53，所述通孔53用于穿越式固定针将被测关节结构近端固定在圆柱夹具52内侧中空腔体，以确保被测关节结构关节面相互接触，达到测试装置设计目的。
35.进一步说明，所述第一横向支架2滑动装置4通过螺柱41穿过上滑动结构6通过螺帽42可拆卸固定在第一滑动轨道21和第二滑动轨道22，所述上滑动结构6通过第一滑动轨道21和第二滑动轨道22上设置限位固定柱8，用于上滑动结构6上下滑动限位或止挡上滑动结构6下落目的；所述第二横向支架2滑动结构装置4通过螺柱41穿过下滑动结构7通过螺帽可拆卸固定在第三滑动轨道31和第四滑动轨道32，所述下滑动结构7通过第三滑动轨道31和第四滑动轨道32上设置限位固定柱8，用于下滑动结构7上下滑动限位或止挡下滑动结构7下落目的；进一步说明，所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22上设置通孔用于限位固定柱8对上滑动结构6进行限位或止挡调节高度距离使用；所述第一滑动轨道21通孔与第二滑动轨道22通孔水平平行设置，所述第一滑动轨道21通孔与第二滑动轨道22通孔设置为一组以上（如图1、图2仅视出五组），所述第三滑动轨道31和第四滑动轨道32上设置通孔用于限位固定柱8对下滑动结构7进行限位或止挡调节高度距离使用，所述第三滑动轨道31通孔与第四滑动轨道32通孔水平平行设置，所述第三滑动轨道31通孔与第四滑动轨道32通孔设置为一组以上（如图1、图2仅示出五组）可调节水平平行通孔。
36.进一步说明，所述固定装置5分别设置在上滑动结构6与下滑动结构7上，上滑动结构6与下滑动结构7上设置通孔用于调节固定装置5位置，固定装置5可以在上滑动结构6与下滑动结构7上，上下左右移动调节，可以根据需要设计为一组或多组纵向对称（如图1、图2仅示出一组固定装置对称），使用时需要上滑动结构6与下滑动结构7上所设置固定装置8纵向对称达到测试装置设计目的。
37.进一步说明，所述滑动装置4可与上滑动结构6、下滑动结构7设置为一体，能与所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、所述第三滑动轨道31、第二滑动轨道32匹配平行滑动的目的。
38.进一步说明，如图3所示，所述滑动装置4由滑动部43、螺柱41和螺帽42组成，滑动部43设置为包裹轨道状，所述滑动部43二侧内凸，能将所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、所述第三滑动轨道31、第二滑动轨道32匹配包裹在其中平行滑动，所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、所述第三滑动轨道31、第二滑动轨道32匹配设置为二侧内凹达到匹配包裹不易脱轨，所述滑动部43二边设置螺纹通孔，螺纹通孔设置为二个或二个以上，通过螺柱41穿过上滑动结构6及滑动部43螺纹通孔分别与所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22通过螺帽固定在上滑动结构6，所述下滑动结构7通过螺柱41穿过下滑动结构7及滑动部43
螺纹通孔分别与所述第三滑动轨道31、第四滑动轨道32通过螺帽固定在下滑动结构7上达到平行滑动目的。
39.进一步说明，如图4所示，所述滑动装置4由滑动角件、螺柱41和螺帽42组成，所述滑动角件由左滑动角件45和右滑动角件46组成，所述左滑动角件45与右滑动角件46设置为轨道状，所述左滑动角件45与右滑动角件46设置为凸状，能将所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、第三滑动轨道31、第四滑动轨道32匹配平行滑动，所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、所述第三滑动轨道31、第四滑动轨道32匹配设置为二侧内凹达到匹配平行滑动目的，使用时，将左滑动角件45与右滑动角件46设置一个或一个以上的螺纹孔，通过螺柱41穿过上滑动结构6及左滑动角45与右滑动角件46螺纹通孔将所述第一滑动轨道21夹持在左滑动角45与右滑动角件46中间通过螺帽42固定，所述第一滑动轨道21通过凹凸配合夹持在左滑动角45与右滑动角件46中间上下滑动,其他第二滑动轨道22采用第一滑动轨道21方式相同固定在上滑动结构6上达到平行滑动目的,以同样的方式将所述第三滑动轨道31、第四滑动轨道32固定在下滑动结构7上达到平行滑动目的。
40.进一步说明，在如图4的基础,所述滑动装置4由滑动角件、螺柱41和螺帽42组成，所述滑动角件由左滑动角件45和右滑动角件46组成，将所述左滑动角件45设置为轨道状，所述左滑动角件45设置为凸状，将右滑动角件46设置为平行(图4中没有示出平行设置方式),能将所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、第三滑动轨道31、第四滑动轨道32匹配平行滑动，所述第一滑动轨道21、第二滑动轨道22、所述第三滑动轨道31、第四滑动轨道32匹配设置为左侧为凹状,右侧为平行达到匹配平行滑动设计目的，使用时，将左滑动角件45与右滑动角件46设置一个或一个以上的螺纹孔，通过螺柱41穿过上滑动结构6及左滑动角45与右滑动角件46螺纹通孔将所述第一滑动轨道21夹持在左滑动角45与右滑动角件46中间通过螺帽42固定，所述第一滑动轨道21通过左侧凹凸配合右侧平行配合夹持在左滑动角45与右滑动角件46中间上下滑动,其他第二滑动轨道22采用第一滑动轨道21方式相同固定在上滑动结构6上达到平行滑动目的,以同样的方式将所述第三滑动轨道31、第四滑动轨道32固定在下滑动结构7上达到平行滑动目的。
41.使用时，将关节或被测关节结构近端放于上固定装置5圆柱夹具52中通过穿越式固定针将被测关节结构近端固定在上固定装置5圆柱夹具52中空腔体中，再将关节或被测关节结构远端放于下固定装置5圆柱夹具52中通过穿越式固定针将被测关节结构近端固定在下固定装置5圆柱夹具52中空腔体中，然后，将上滑动结构6限位固定柱8取出，由于上滑动结构6限位固定柱8取出后，所述滑动装置4在第一滑动轨道21和第二滑动轨道22横向平行上下滑动，上滑动结构6在没有止挡的条件下，上滑动结构6下滑通过上固定装置5圆柱夹具52近端关节或被测关节结构与下固定装置5圆柱夹具52远端关节或被测关节结构形成抵接触，通过对上滑动结构6固定装置5支柱51施加可控载荷，在固定装置及滑动轨道约束的方向运动，通过对固定装置施加可控载荷对关节或被测关节结构进行负载测试的目的。
42.实施例二：另一种测试方法，如图1-8所示，本发明提供一种关节结构动力学测试方法，测试方法由激振模块9、传感器10、采集器模块11和显示器模块12组成，激励模块9可对固定装置5、支柱51及被测关节结构施加可控载荷。载荷可为不同激励频率、不同持续时间及不同大小。可对被测关节结构在未发生损伤情况和发生损伤后的状态进行检测、监测、对比、诊断
（如图7所示），测试装置对所测试关节结构样本进行固定，传感器10固定于所测关节结构，并与样本响应进行耦合，对所测关节结构产生的物理响应模拟量进行采集记录，采集器模块11采集传感器10输出数据及所施加载荷数据，即采集器模块11可同时对传感器10及激振模块9荷载进行采集，采集器模块11将采集数据传输给显示器模块12，显示器模块对采集器模块11所传输数据进行显示，通过显示器模块12显示数据对关节部位载荷及响应进分析，通过本方法测试关节结构的过程中获得稳定测试的初始测试条件和测试环境。
43.进一步说明，所述传感器10可对被测关节结构前端、后端、左侧、右侧及关节四周任何部位进行测试，传感器10可对被测关节结构近端或远端进行测试，根据所需测试部位设置多个传感器10，以测试不同部位之间的载荷及响应。
44.进一步说明，所述传感器10对所测关节结构固定连接方式，可根据测试结构的材料及表面特性选择螺钉、磁吸、胶粘、非接触等方法进行耦合，达到采集被测关节结构响应变化的目的。
45.进一步说明，所述采集器模块11同时对传感器10及激振模块9产生的荷载进行采集，采集器模块11可对一个或一个以上传感器10进行信息收集。
46.进一步说明，测试装置用于固定被测试关节结构并对被测试关节结构施加正确的载荷，其中，固定装置5由支柱51和圆柱夹具52组成，被测试关节结构固定在上固定装置和下固定装置圆柱夹具52内侧，使被测试关节结构嵌入夹具内用于安装；作为实例所述固定装置远端和近端圆柱夹具允许垂直运动，以确保被测试关节结构沿滑动轨道方向移动。
47.进一步说明，被测试关节结构用固定针固定在圆柱夹具上，使测试关节与圆柱夹具紧密接触，并使被测试关节结构能在有限的角度内通过匀速运动接触；一旦这种定位完成，圆柱夹具锁定位置；整个装置被安装在一个大质量的负载框架上。
48.进一步说明，通过本方法测试关节结构的过程中模仿被测试关节结构自身稳定结构的功能，使被测结构处于稳定状态，获得稳定的初始测试条件和环境条件；除了各组成部分本身的重力外，可在框架上加载预应力等方法改变测试条件，对被测试关节结构不同工作状态进行模拟。
49.进一步说明，同理可通过不同传感器10的应用，对测试被测试关节结构进行其他相关物理量的采集。
50.进一步说明，采集器模块11采用多通道数据采集装置，经由不同通道采集位于试验样本不同部位传感器10的响应信号，测试数据用于被测试关节结构的相关特性分析。
51.载荷加载方法：测试过程中，模拟被测试关节结构不同部位在实际运行情况下受到的冲击力，对被测试关节结构直接施加载荷；作为实例可根据测试需求及关节结构的特征，将若干类型相同或不同的传感器10安装在被测试关节结构上进行测试，对载荷数值及结构响应采用传感器记录（如图7所示）。在测试装置约束的运动自由度下，使用不同激振模块，依次重复施加动载荷测试，测试过程中可同时对模型结构进行修改，并结合不同部位的传感器10对模型结构进行响应采集。图表8所示为被测关节各组件在动载荷大小为64.78至185.87n作用下由传感器10采集到的最大加速度响应详见图表8（单位：g）使用时，将关节或被测关节结构近端放于上固定装置5圆柱夹具52中通过穿越式固定针将被测关节结构近端固定在上固定装置5圆柱夹具52中空腔体中，再将关节或被测关节结构远端放于下固定装置5圆柱夹具52中通过穿越式固定针将被测关节结构近端固定
在下固定装置5圆柱夹具52中空腔体中，然后，将传感器10与测试结构模具固定，根据所需测试部位设置对应设置相应个数传感器10，传感器10与采集器模块11联通，激振模块9与采集器模块11联通，采集器模块11与显示器模块12联通，激振模块9通过对上滑动结构6固定装置5支柱51施加可控载荷，在固定装置及滑动轨道约束的方向运动，通过对固定装置施加可控载荷对关节或被测关节结构进行负载测试，通过显示器模块12显示数据对关节部位载荷及响应进分析，通过本方法测试关节结构的过程中获得稳定测试的初始测试条件和测试环境。
52.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。