微型原位拉扭疲劳试验机的研制与冠脉支架疲劳失效机理研究

In order to study mechanical and fatigue properties of mini samples of materials, an in situ axial-torsional fatigue apparatus will be developed in this study. A four-axial controller with Digital Signal processor (DSP) will be mainly developed. With data acquisition unit, drive output unit and sync pulse circuit, closed loop servo-control system with individual four channels will be realized. It has all functions of fatigue testing controller, including acquisition, control, communication,drive and so on. Testing control software compiled can conduct tension, compression,bending, torsion, creep, ralaxation, and fatigue tests. Moving coil actuator will be employed, which satisfies requiment of multiaxial loading actuator with high response, low inertia, high accuracy, and long life. Equiped high resolution digital microscopy, in situ tests under uniaxial, torsional and multiaxial proportioanl and nonproportioanl loading for coronary stent material will be conducted. In situ observation of crack initiation, growth direction and rate will be conducted under cyclic loading. The effect of loading path and the evolution of microcrack, microstructure and microtexture on fatigue failure and its micromechanism will be studied. Crystal plasticity model and multiaxial fatigue life prediction method will be studied considering scale effect. The study has scientific singficance for the exploration of solid mechanics, bioengineering and material science research field.

为了研究微小材料的力学和疲劳性能，以原位拉扭疲劳试验机为研究对象，重点研制以DSP(数字信号处理器)为处理器的四轴运动控制器，结合数据采集单元、驱动输出单元、同步脉冲电路、以及采用USB通讯接口单元，实现四通道独立闭环伺服控制，完成采集、控制、通信、驱动等疲劳试验机控制器的全部功能。编制专用试验软件，可进行拉压、弯曲、扭转及蠕变、松驰、疲劳等各类试验。采用电磁力电机，满足多轴加载作动器响应快、惯性小、精度高、寿命长的要求。配合高精度数字显微镜，对冠状动脉支架材料进行单轴、纯扭以及多轴比例和非比例加载条件下的原位测试，在线观测材料受循环载荷作用时裂纹的萌生、扩展路径、扩展速率等，研究加载路径，微裂纹、微结构和微织构演化对材料疲劳失效的影响及其机理,建立考虑尺寸效应的晶粒塑性本构模型和多轴疲劳寿命预测方法。本项目成果对于固体力学、生物工程、材料科学等领域研究的拓展具有重要的科学意义。

在现代生物医学、电子通信、能源转换等领域，器件微型化带来的一个极具挑战性的课题是其机械可靠性的评估。这一方面是由于微小尺寸材料的机械性能往往偏离大块尺寸材料。另一方面，在实际服役过程中，例如冠状动脉支架等微型器件往往经受着复杂的多轴载荷循环作用，这更是增加了可靠性评估难度。然而，目前国内外针对微小尺寸材料的多轴循环和疲劳性能研究仍是一片空白，这主要是因为缺乏适用于微型多轴疲劳测试的试验系统。本项目以建立微型多轴疲劳试验系统为研究目标，设计完成了基于全数字处理器的多轴动态疲劳试验控制器以及多功能多轴疲劳试验专用软件包，设计加工了微型拉扭疲劳试验机机体，调试完成微型拉扭疲劳试验系统，并进一步利用该试验机测得了冠状动脉支架材料微丝的拉伸、扭转、多轴棘轮和多轴疲劳性能，揭示了支架材料的多轴力学行为的尺寸效应。本项目的关键技术和创新点包括：1）控制系统采用多CPU分布式架构，结合DPS/BIOS多线程调度和“乒乓”内存缓存策略，并采用锁相放大器调理传感器信号，实现了四通道的并行运算和控制，提高了系统实时性、可靠性和测量分辨率。2）试验测试软件通过开发一种解释型运动控制脚本语言MCScript，实现了复杂控制模式的模块化编辑。3）实验机体采用可翻转的微型拉扭机架结构，设计了高精度微型拉压、扭转作动测量单元，以及微型尺寸试样专用夹具，保证了作动、测量及试样夹持精度，实现了高精度的拉扭复合加载控制，可适用于不同微观测量手段的原位观察。4）对冠状动脉支架材料微丝的单轴及多轴复杂力学行为进行了试验研究，获得其单轴拉伸\扭转大变形力学性能、单轴\多轴棘轮行为、多轴疲劳性能及其尺寸效应。本项目的研究成果一方面填补了国内外微型多轴疲劳试验系统领域的空白，对于加增强我国试验机制造技术的核心竞争能力具有十分重要的现实意义；另一方面促进了于微小型材料基础力学性能的研究，对固体力学、生物工程、材料科学等领域研究的拓展具有重要的科学意义。