modelowe badania właściwości mechanicznych specjalnych

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
40, s. 281-290, Gliwice 2010
ISSN 1896-771X
MODELOWE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH
SPECJALNYCH STRUKTUR GRANULOWANYCH W ASPEKCIE
MOŻLIWOŚCI ICH ZASTOSOWANIA W WYBRANEJ GRUPIE
ORTEZ ORTOPEDYCZNYCH
ROBERT ZALEWSKI
Instytut Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Warszawskiej
e-mail: [email protected]
Streszczenie.
Praca
dotyczy
szczegółowej
analizy
rezultatów
eksperymentalnych, związanych z badaniem zjawisk fizycznych, zachodzących
w specjalnych strukturach granulowanych. Termin, specjalne struktury
granulowane, całościowo obejmuje szczelną powłokę wypełnioną materiałem
sypkimi oraz podciśnienie, generowane w jej wnętrzu, mające na celu
usztywnienie konglomeratu. Podstawową zaletą tego typu struktur jest możliwość
kontrolowanej
zmiany
jej
globalnych
właściwości
mechanicznych
(reologicznych) z dodatkową opcją tworzenia z nich dowolnych elementów
kształtowych. Ostatnia ze wspomnianych cech struktur granulowanych czyni je
szczególnie interesującymi ze względu na różnorodne możliwości aplikacji
inżynierskich oraz medycznych.
W opracowaniu skupiono się na przedstawieniu wyników eksperymentalnych
wybranej grupy materiałów sypkich. Szczególną uwagę zwrócono na możliwości
kontrolowanej zmiany sztywności (modułu Younga) próbek rurowych,
zbudowanych z materiałów sypkich, umieszczonych w szczelnej przestrzeni
z podciśnieniem. Parametrem sterującym jest tzw. podciśnienie. Jest ono
definiowane jako różnica pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym, otaczającym
próbkę, oraz ciśnieniem w jej wnętrzu.
1. WPROWADZENIE
Dotychczasowe badania specjalnych struktur granulowanych dotyczyły modelowania,
badań oraz analizy nieliniowych zjawisk fizycznych w nich zachodzących (prace [1-10]).
Termin specjalne struktury granulowane całościowo obejmuje szczelną powłokę wypełnioną
materiałem sypkimi oraz podciśnienie generowane w jej wnętrzu, mające na celu
usztywnienie konglomeratu. Podstawową zaletą tego typu struktur jest możliwość
kontrolowanej zmiany jej globalnych właściwości mechanicznych (reologicznych)
z dodatkową opcją tworzenia z nich dowolnych elementów kształtowych. Ostatnia ze
wspomnianych cech struktur granulowanych czyni je szczególnie interesującymi ze względu
na różnorodne możliwości aplikacji inżynierskich czy medycznych.
282
R. ZALEWSKI
Pracując z tymi nietypowymi strukturami, autor zauważył pewne ich podobieństwa do
popularnych i skomercjalizowanych na dość szeroką skalę cieczy magnetoreologicznych
(MRF).
Zadanie odpowiedniej wartości podciśnienia i, co się z tym wiąże, solidyfikacja wstępnie
plastycznej masy granulowanej, upodabnia opisywane struktury do lepkoplastycznych ciał
stałych. Wcześniejsze prace polegały m.in. na poszukiwaniach adekwatnego modelu
konstytutywnego wiążącego ze sobą związki pomiędzy zadanym stanem naprężenia
i odkształcenia. Zadowalające wyniki wstępnych badań laboratoryjnych potwierdzają
słuszność wytyczonej drogi naukowej i skłaniają do dalszych poszukiwań modeli opisujących
zachowanie specjalnych struktur granulowanych w grupie związków konstytutywnych.
opracowywanych dla metali.
Podsumowując tę część, należy stwierdzić, że prowadzone w opisywanej tematyce prace
badawcze były ukierunkowane na takie działania, które pozwoliły poznać możliwie wiele
problemów podstawowych, jakie są własnością specjalnych struktur granulowanych, przez co
został przygotowany materiał badawczy do skonstruowania elementów konstrukcyjnych
pracujących na bazie materiałów sypkich umieszczanych w przestrzeni z podciśnieniem
z przeznaczeniem do wybranych zastosowań medycznych.
Niezależnym celem pracy jest skoncentrowanie się na aplikacyjnym wykorzystaniu
rezultatów badań własnych, podpartych wszechstronną znajomością wszystkich innych,
publikowanych prac dotyczących omawianej dziedziny badawczej, do opracowania
koncepcji konstrukcji prototypów ortez ortopedycznych.
Niezależnie od prowadzonych działań aplikacyjnych i badań eksperymentalnych, jakie
dotyczą specjalnych struktur granulowanych, nadal wiele zagadnień podstawowych pozostaje
nierozwiązanych. Ich poznanie znacznie ułatwiłoby działania wdrożeniowe. Dotyczą one
zarówno kompozycji samych struktur, mechaniki ich odkształcania, problemów termicznych,
modelowania jak również sterowania za pomocą parametru podciśnienia.
Cele poznawcze pracy zmierzają, w pierwszej kolejności, do poznania wymienionych
wyżej zjawisk, a następnie do sformułowania wniosków dotyczących:
właściwości reologicznych specjalnych struktur granulowanych, a w tym
określenia takich wielkości jak: moduł Younga czy granica plastyczności oraz
możliwości ich kontrolowanych zmian w zależności od wartości zadanego
podciśnienia wewnętrznego.
wpływu objętości próbki badawczej na makroskopowe właściwości struktur,
możliwości sterowania zjawiskami zachodzącymi w strukturach granulowanych,
w warunkach rzeczywistej eksploatacji konkretnego prototypu urządzenia,
Podstawową przesłanką skłaniającą do podjęcia tematyki aplikacyjnego wykorzystania
specjalnych struktur granulowanych są inspiracje autora zaczerpnięte z ponadpółrocznego
stażu naukowego odbytego w 2002 roku w University of Lille we Francji. Tamtejsza grupa
naukowców z Instytutu Mechaniki prowadziła badania, pod kierownictwem profesora
Bernarda Landjerita, nad możliwością poprawy właściwości użytkowych materacy
próżniowych (matelas coquille). Materace próżniowe zostały wynalezione przez Loed’a
i Haederlé’a i znalazły obecnie stosunkowo szerokie praktyczne zastosowanie, będąc na
wyposażeniu zespołów medycznych pomagających ludziom, którzy na skutek odniesionej
kontuzji wymagają transportu z zapewnieniem dodatkowych wymogów bezpieczeństwa.
Doświadczenie zdobyte przy pracach nad strukturami granulowanymi w specjalnych
warunkach oraz ich praktyczne zastosowanie w postaci wspomnianych materacy próżniowych
wykorzystywanych w ratownictwie medycznym jest głównym przyczynkiem do podjęcia
wstępnych prób z przeniesieniem tego ciekawego rozwiązania do polskich realiów.
Z punktu widzenia medycznego, struktura zbudowana z plastomerowej osnowy,
wypełnionej granulatem, w której wytwarza się podciśnienie po uprzednim ułożeniu
MODELOWE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SPECJALNYCH STRUKTUR ...
283
kontuzjowanej kończyny w sposób zapewniający bezpieczny transport, jest wielce
konkurencyjna w stosunku do obecnie stosowanych rozwiązań. Jej główne zalety to:
- możliwość wykorzystywania ortez w praktycznie dowolnym miejscu ciała,
- łatwość, z jaką można zmieniać jej zewnętrzne kształty w zależności od indywidualnej
budowy ciała pacjenta,
- możliwość czasowego usztywnienia z jednoczesną możliwością kontroli takich cech
stabilizatorów jak twardość czy sztywność,
- prostota w utrzymaniu sterylności powierzchni w przypadku złamań otwartych lub ran
pourazowych,
- możliwość wykonywania zdjęć rentgenowskich bez konieczności zdejmowania
usztywniacza,
- w perspektywie zastąpienie klasycznego materiału stosowanego przy urazach
doraźnych, wielce uciążliwego dla pacjentów – gipsu.
Zapotrzebowanie na ortezy ortopedyczne jest stosunkowo duże. Znajdują one
zastosowanie przy usztywnieniach stawów skokowego, kolanowego, biodrowego, barkowego
czy łokciowego. Są także wybitnie pomocne osobom cierpiącym na przeróżne schorzenia
takich części kręgosłupa jak szyjny, piersiowy bądź krzyżowo –lędźwiowy.
2. ZAKRES PRACY
Zakres niniejszej pracy obejmuje badania podstawowe cylindrycznych próbek,
utworzonych z materiałów granulowanych, umieszczonych w szczelnej przestrzeni
z podciśnieniem oraz badania cyklicznego obciążania prototypu ortezy ortopedycznej.
W badaniach podstawowych skupiono się na wykazaniu istnienia pewnych uniwersalnych
związków łączących wartości modułów Younga i umownej granicy plastyczności w funkcji
podciśnienia. Na tym etapie przebadano różnej objętości próbki cylindryczne, wypełnione
granulatem polistyrenowym przy różnych wartościach podciśnienia panującego w próbce oraz
zmiennych prędkościach odkształcenia. Tę część badań przeprowadzono na klasycznej
maszynie wytrzymałościowej MTS 809.
W drugim etapie badań, wykorzystując zdobytą we wcześniejszej fazie wiedzę, skupiono
się na testach laboratoryjnych prototypu ortezy ortopedycznej. W tym celu wykorzystano
specjalistyczne stanowisko badawcze znajdujące się w Instytucie Podstaw Budowy Maszyn
Politechniki Warszawskiej.
Wyniki eksperymentów powinny dowieść, że specjalne struktury granulowane są
materiałem, który mógłby być wykorzystany przy produkcji inteligentnych (posiadających
zmienne i kontrolowalne właściwości) ortez.
Możliwość ciągłej, w pewnym zakresie, zmiany sztywności rozważanego materiału
umożliwiłaby zastosowanie specjalnych struktur granulowanych jako sztywnych,
półsztywnych oraz elastycznych stabilizatorów zewnętrznych w zależności od zaistniałych
potrzeb rehabilitacyjnych.
3. BADANIA
3. 1 Badania podstawowe
Szczegółowy opis przeprowadzonych badań podstawowych, ze względu na brak
dostatecznej wiedzy związanej z badaniami specjalnych struktur granulowanych oraz
284
R. ZALEWSKI
napotykanych licznych trudności i koniecznych do przyjęcia założeń, został zawarty w pracy
[1].
W tym miejscu warto zwrócić uwagę, że zakres testów laboratoryjnych objął badania
próbek cylindrycznych o zróżnicowanych średnicach (di=35, 55, 75, 95 i 115 mm),
wypełnionych granulatem polistyrenowym w postaci wałeczkowatych ziaren o średnicy
około 1 mm i długości 2 mm. Przy badaniach zadbano o stały współczynnik chropowatości
wewnętrznej struktury (stosunek objętości granulatu do objętości formy cylindrycznej).
Zakres zadawanych podciśnień zawierał się w przedziale 0,01-0,09 MPa.
Testy jednoosiowego ściskania próbek wykonano na uniwersalnej maszynie
wytrzymałościowej MTS 809. Rozważano trzy różne prędkości odkształcenia e&i = (0,0033;
0,046; 0,33 1/s.
Przykładowe wyniki eksperymentalne, przedstawione na trójwymiarowych wykresach
obrazujących zmianę charakterystycznego parametru wytrzymałościowego (odpowiednio
modułu Younga i umownej granicy plastyczności, definiowanej jako naprężenie
towarzyszące odkształceniu plastycznemu próbki wynoszącemu 0,2%) zilustrowano na rys. 1
i 2.
Rys. 1. Zmiany wartości modułu Younga, dla
polistyrenu z uwzględnieniem wpływu
objętości próbki badawczej i wartości
podciśnienia wewnętrznego
Rys. 2. Zmiany wartości umownej granicy
plastyczności, dla polistyrenu z
uwzględnieniem wpływu objętości próbki
badawczej i wartości podciśnienia
wewnętrznego
Wyraźny jest trend zmniejszania się wartości umownych granic plastyczności w funkcji
rozpatrywanej objętości próbek. Jednocześnie obserwuje się wzrost wartości rozpatrywanego
parametru dla wyższych wartości parametru podciśnienia (rys. 2).
Zdecydowanie mniej jednoznaczne są wyniki badań eksperymentalnych zamieszczone na
rys. 1. Zauważalny jest trend nieliniowego wzrostu wartości modułów Younga próbek
struktur granulowanych w funkcji podciśnienia. Trudno zauważyć jednak wyraźny wpływ
objętości próbki na otrzymywane wyniki.
Analizując szerzej dane z rys. 1, zauważa się, że do pewnej wartości objętości próbek (ok.
1 dm3), dla pełnego zakresu wytworzonych podciśnień, nie widać wpływu tego parametru na
rejestrowane wartości modułów sprężystości wzdłużnej. Jednakże dla największej próbki
(V=1,56 dm3) od wartości podciśnienia p=0,05 MPa odnotowuje się spadek wartości
eksperymentalnie uzyskanych wartości modułów Younga w stosunku do wcześniej
zauważanego trendu. Omawiane zjawisko uwypuklono na rys. 3.
MODELOWE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SPECJALNYCH STRUKTUR ...
285
Rys. 3. Zmiany wartości modułów Younga, dla różnych wartości średnic próbek
cylindrycznych (odpowiednio 35; 55; 75; 95 oraz 115) i całego zakresu rozważanych
wartości podciśnień
Na tym etapie badań trudno jednoznacznie ocenić przyczynę przebiegu charakterystyki
E=f(p) dla największej próbki poniżej pozostałych zależności. Aby wyjaśnić to zjawisko,
należy powtórzyć serię badań oraz przeprowadzić podobne doświadczenia dla innego typu
materiału granulowanego.
Ciekawostką, zaobserwowaną na rys. 2, jest stosunkowo szybka stabilizacja wartości
umownej granicy plastyczności w funkcji objętości próbki. Dokonanie bardziej szczegółowej
analizy wygodnie jest przeprowadzić, wykorzystując dane zawarte na rys. 4.
W początkowej fazie charakterystyki k=f(V) (dla próbek o średnicach 35, 55 i 75)
zauważalna jest tendencja malejąca zmian przebiegu wartości rozpatrywanego parametru. Od
pewnej granicznej wartości objętości (Vst » ~1 dm3 – rys. 4) następuje stabilizacja wartości
umownych granic plastyczności. Trend ten jest zauważalny dla całego zakresu generowanych
podciśnień.
Znajomość progowej wartości objętości próbki badawczej, dla której nie obserwuje się
dalszych zmian wartości umownej granicy plastyczności, umożliwia ekstrapolację wyników
badań eksperymentalnych, wykonywanych na małych gabarytowo próbkach badawczych na
elementy rzeczywiste.
Na rys. 5 i 6 zilustrowano wpływ zadanej eksperymentalnie prędkości odkształcenia
próbek granulowanych na wartości ich parametrów wytrzymałościowych.
Z danych przedstawionych na rys. 5 wynika, że parametr prędkości odkształcenia nie ma
istotnego wpływu na wartość modułu Younga specjalnych struktur granulowanych.
Jak już wspomniano we wstępie pracy, struktury granulowane w warunkach częściowej
próżni zachowują się jak klasyczne materiały lepkoplastyczne. Fakt ten potwierdza rys. 6.
Dla większych wartości prędkości odkształcenia obserwuje się wzrost wartości umownej
granicy plastyczności. Szersza analiza wpływu prędkości odkształcenia na zachowanie
specjalnych struktur granulowanych została opisana w pracy [1].
286
R. ZALEWSKI
Vst
Rys. 4. Zmiany eksperymentalnie wyznaczonych wartości umownej granicy plastyczności
w funkcji objętości próbki badawczej; zakres podciśnień 0,01-0,09 MPa
Rys. 5. Wpływ wartości prędkości
odkształcenia i podciśnienia na
eksperymentalnie wyznaczone wartości
modułu Younga dla próbki o średnicy d=75
mm
Rys. 6. Wpływ wartości prędkości
odkształcenia i podciśnienia na
eksperymentalnie wyznaczone wartości
umownej granicy plastyczności dla próbki o
średnicy d=75 mm
3.2 Badania prototypów ortez granulowanych
Przed przystąpieniem do badań wytrzymałościowych prototypów ortez utworzonych ze
struktur granulowanych, umieszczonych w szczelnej przestrzeni z podciśnieniem, należy
przygotować specjalną próbkę materiałową.
Praca jest, jak już akcentowano, próbą opisu właściwości dyssypacyjnych struktur
utworzonych z materiałów granulowanych, w aspekcie możliwości ich wykorzystania
w kontrolowalnych ortezach ortopedycznych.. Oczywiste więc jest, że jednym z kryteriów
poszukiwania optymalnego kształtu i wymiarów próbek rozważanego „materiału”, było
wzorowanie się na jej klasycznych odpowiednikach.
Na podstawie wyników badań próbek materiałów zdyspergowanych, badanych w aparacie
do prób bezpośredniego ściskania, można wnioskować o właściwościach całego ośrodka. Jest
to jeden z argumentów, na którym zostało oparte założenie, że można stworzyć próbkę
struktury granulowanej w warunkach podciśnienia, która byłaby reprezentatywna dla tego
typu materiałów.
W rozdziałach wcześniejszych zaprezentowano tematykę podstawowych badań
specjalnych struktur granulowanych. Doświadczenie zdobyte na wspomnianym etapie
pozwoliło na uniknięcie fundamentalnych błędów jakie napotkano w początkowej fazie badań
granulowanych konglomeratów ([1-10]).
Uwzględniając wspomniane wyżej doświadczenie, zdecydowano się na budowę próbki
o następujących parametrach:
MODELOWE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SPECJALNYCH STRUKTUR ...
287
kształt walcowy rurowy,
średnica zewnętrzna D1=115 mm
średnica wewnętrzna D2=70 mm,
długość pomiarowa próbki L0= 150 mm.
Schemat budowy próbki granulowanej został przedstawiony na rys. 7.
Rys. 7 Schemat i zdjęcie prototypu ortezy granulowanej
Literatura oraz badania własne, dotyczące badań zagadnień pochłaniania i rozpraszania
energii, w urządzeniach wykorzystujących jako bazę działania, sterowane podciśnieniem
struktury granulowane, jednoznacznie wskazują, iż w przypadkach kinematycznego
wymuszenia ruchu najbardziej interesujące i miarodajne dla opisu i analizy tych procesów są
charakterystyki ilustrujące zmiany wartości siły działającej na próbkę w zależności od jej
odkształcenia przy zmiennych wartościach podciśnienia wewnętrznego. Muszą one być
jednak sporządzane w taki sposób, aby została odwzorowana najważniejsza cecha
omawianych urządzeń: możliwość ciągłej aktywnej zmiany właściwości sprężysto lepkoplastycznych specjalnych struktur granulowanych pod wpływem działania, wytwarzanej
wewnątrz próbek częściowej próżni.
Do realizacji programu badawczego wykorzystane zostało, skonstruowane wcześniej, na
Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, specjalistyczne
stanowisko badawcze.
Unikalność, wykorzystanej w niniejszej pracy, skonstruowanej specjalnie dla badań
struktur granulowanych bazy badawczej polega na tym, że wykorzystywane stanowiska
pozwalają badać opisywane konglomeraty w pełnym zakresie zmienności parametrów
konstrukcyjnych.
W dostępnej literaturze, która dotyczy opisu i wyznaczania charakterystyk urządzeń
amortyzujących do zamierzonych badań, powszechnie wykorzystywane są standardowe
maszyny wytrzymałościowe, a na nich realizowane wymuszenie kinematyczne ruchu. Dzieje
się tak ze względu na łatwy dostęp do tego rodzaju urządzeń, gotowej aparatury sterującej,
a także ze względu na istnienie gotowego oprogramowania, niezbędnego do rejestracji
i obróbki wyników badań. Należy jednak sobie zdawać sprawę z faktu, że możliwości
realizacji dużych, a jednocześnie szybkozmiennych przemieszczeń są w takich przypadkach
mocno ograniczone.
Oczywiście, wiarygodne wyniki badań otrzymuje się wówczas, gdy są one
przeprowadzane w warunkach, które w możliwie wierny sposób odwzorowują ich
rzeczywiste warunki pracy. Wykorzystywane w niniejszej pracy do badań stanowiska dobrze
spełniają ten podstawowy warunek, między innymi poprzez zapewnienie:
- dowolnych, a więc także dużych wartości przemieszczeń,
- możliwości realizacji obciążeń badanych urządzeń siłami typu uderzeniowego,
- możliwości kinematycznych wymuszeń ruchu przy dowolnej wartości
przemieszczenia,
- możliwości dużych częstości zmian obciążeń.
288
R. ZALEWSKI
Przystosowanie stanowiska do badań wymagało wykonania wielu dodatkowych prac
adaptacyjnych. Polegały one głównie na dostosowaniu zamocowań badanych obiektów do
uchwytów stanowisk lub odwrotnie, na doborze i zakupie odpowiedniej klasy i zakresu
czujników pomiarowych, realizacji procesu obciążeń, rozwiązaniu wielu problemów
sterowania, doborze odpowiedniej aparatury sterującej, rozwiązaniu szeregu problemów
związanych z rejestracją wyników itd.
Stanowisko badawcze do wyznaczania charakterystyk specjalnych struktur granulowanych
z kinematycznym wymuszeniem ruchu zostało zilustrowane na rys. 8.
Rys. 8. Stanowisko badawcze oraz schemat realizacji wymuszenia ruchu
Prezentowane stanowisko, z oprzyrządowaniem standardowym, pozwala na realizację
badań praktycznie dowolnych elementów kształtowych, wykonanych ze specjalnej struktury
granulowanej.
Podczas badań eksperymentalnych prototypu ortezy, według tego programu, możliwe jest
wyznaczenie wzajemnych zależności takich wielkości jak wielkość pochłaniania
i rozpraszania energii w funkcji przemieszczenia, prędkości, podciśnienia, temperatury itp.
Przykładowe krzywe doświadczalne naprężeń w funkcji odkształceń dla prototypu ortezy
granulowanej zamieszczono na rys. 9.
Wyniki doświadczalne prób cyklicznego obciążania prototypu ortezy granulowanej
potwierdzają możliwość płynnej kontroli jej właściwości fizycznych.
Wraz ze wzrostem wartości częściowej próżni, generowanej wewnątrz prototypu ortezy
obserwowano wyraźny wzrost jej makroskopowej sztywności. Zjawisko to jest szczególnie
zauważalne w obszarze charakterystyki cyklicznego obciążania próbki (rys. 9)
odpowiadającej jej jednoosiowemu ściskaniu. Przykładowo dla podciśnienia 0,01 MPa
maksymalne naprężenia ściskające nie przekraczały wartości 50000 Pa, co w zestawieniu
z wartością około osiem razy większą, dla podciśnienia 0,09 MPa, pokazuje realne
możliwości kontroli globalnych właściwości fizycznych ortez granulowanych.
Charakterystyczne dla tego typu struktur jest zjawisko braku symetryczności
charakterystyk, otrzymanych w wyniku cyklicznego obciążania próbek.
Zmiany wartości naprężeń rozciągających, rejestrowane dla rozpatrywanych skrajnych
wartości podciśnień (odpowiednio 0,01 i 0,09 MP), przy założeniu takiego samego rodzaju
wymuszenia kinematycznego, wykazują zbliżony z poprzednio omówionym przypadkiem
rząd wielkości (10000 – 80000 Pa).
Fundamentalną cechą rozpatrywanych struktur jest wyraźny wzrost możliwości
rozpraszania energii dla zwiększonych wartości podciśnienia wewnętrznego.
MODELOWE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SPECJALNYCH STRUKTUR ...
289
Rys. 9 Przykładowe zestawienie wyników prób jednoosiowego ściskania i rozciągania
struktur granulowanych w cyklu zamkniętym w zależności od wartości wytworzonego
wewnątrz podciśnienia; próbka wypełniona granulatem PS, amplituda drgań A=7mm,
częstość wymuszenia υ=0,5 Hz
4. PODSUMOWANIE
Choć ortezy ortopedyczne produkowane są przez stosunkowo dużą grupę producentów
sprzętu ortopedycznego, niemniej jednak autorzy uważają, że zastosowanie specjalnych
struktur granulowanych jako elementu konstrukcyjnego w tym przypadku jest zarówno
celowe jak i nowatorskie.
Uzyskane rezultaty eksperymentalne, otrzymane dla prototypu ortezy granulowanej (rys.
9), jednoznacznie potwierdzają możliwość kontrolowanej zmiany właściwości
mechanicznych badanych elementów za pomocą parametru podciśnienia. Ta wyjątkowa
cecha „aktywnych” ortez sprawia, że w ocenie autora specjalne struktury granulowane
w przyszłości mogą zastąpić tradycyjne materiały stosowane do doraźnych usztywnień
kontuzjowanych kończyn.
Dzięki specjalnym cechom granulowanych konglomeratów możliwe wydaje się wyjście
naprzeciw indywidualnym potrzebom rekonwalescentów. Dodatkową zaletą jest możliwość
kontroli stopnia usztywnienia kończyny za pomocą wartości podciśnienia wewnętrznego.
LITERATURA
1. Zalewski R.: Analiza właściwości mechanicznych struktur utworzonych z granulatów
umieszczonych w przestrzeni z podciśnieniem. Rozprawa doktorska. Warszawa : Pol.
Warsz., 2005.
2. Zalewski R.: Adaptacja typowych związków konstytutywnych dla stali do opisu
właściwości specjalnych struktur granulowanych. „Modelowanie Inżynierskie” 2009, nr
37, s. 265-273.
290
R. ZALEWSKI
3. Bajkowski J., Tadzik P.: Wykorzystanie materiałów granulowanych w zwalczaniu drgań i
hałasu W: XXVIII Szkoła Zimowa Zwalczania Zagrożeń Wibroakustycznych (materiały
w wersji elektronicznej).
4. Bajkowski J., Hać M., Grzesikiewicz W., Landjerit B., Tadzik P.: Modelowanie i badania
dyssypacji energii w układach mechanicznych powodowanej materiałami granulowanymi
znajdującymi się w zamkniętej przestrzeni z podciśnieniem. Praca statutowa. Warszawa :
Inst. Podstaw Bud. Masz. Pol. Warsz., 2001.
5. Bajkowski J., Hać M., Grzesikiewicz W., Landjerit B., Tadzik P.: Wybrane właściwości
mechaniczne próbek z materiałów granulowanych umieszczonych w przestrzeni z
podciśnieniem W: IV Seminaire Scientifique Franco-Polonais, Ecole Polytchnique de
Varsowie 1999 Modelisation et simulation des structures physiques et Techniques, s. 4353.
6. Bajkowski J., Hać M., Grzesikiewicz W.: Podstawowe własności wytrzymałościowe
próbek z granulatami zamkniętymi w szczelnej przestrzeni i poddanymi działaniu
podciśnienia. W: XIX sympozjum PKM, Zielona Góra – Świnoujście, 1999 (materiały w
wersji elektronicznej).
7. Zalewski R.: Numeryczna metodyka identyfikacji modelu Chaboche’a na podstawie
badań eksperymentalnych specjalnych struktur granulowanych. „Modelowanie
Inżynierskie” 2009, nr 38, s. 309-319.
8. Pyrz, M., Zalewski, R.: Modeling of granular media submitted to internal underpressure.
“Mech. Res. Commun.” 2010, 37, 2, p. 141-144.
9. Zalewski R, Pyrz M. Modeling and parameter identification of granular plastomer
conglomerate submitted to internal underpressure. “Engineering Structures” 2010, 32, p.
2424_2431
10. Zalewski R.: Constitutive model for special granular structures. “Int. J. Non-Linear
Mech.” 2010, 45,3, p. 279-285.
RESEARCH OF MECHANICAL PROPERTIES OF SPECIAL
GRANULAR STRUCTURES IN ASPECT OF THEIR APPLICATIONS
IN SELECTED GROUP OF ORTHOPEDIC ORTHESIS
Summary. The present work concerns an initial analysis of experimental
results related to research of physical phenomenon typical for special granular
structures. The term special granular structures involves a hermetic envelope,
filled with granular material and underpressure, generated inside. The main
purpose of generating the partial vacuum is to freeze a granular concrete. The
major benefit from such a structure is a possibility of controlled change of its
global mechanical (rheological) properties with an additional option connected to
creating temporary external shapes. Last of mentioned features is particularly
interesting form the engineering and medical point of view.
In the paper author focuses on presenting experimental results of selected
group of granular materials. The possibility of changing the stiffness (Young’s
modulus) of such conglomerates is underlined. Laboratory tests are carried out on
pipe type granular probes. A controlling parameter is underpressure which is
defined as a difference between an atmospheric pressure, surrounding the
envelope, and an internal one.