CN104237266B - 一种基于x射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，包括上套环、上固定块、下套环、下固定块、套管、摇杆和加载固定装置。上固定块切合固定在套管的首端内壁，上套环切合固定在套管首端外壁与上固定块相对应的位置，下固定块切合固定在套管的尾端内壁，下套环切合固定在套管尾端外壁与下固定块相对应的位置，在套管内部设置加载样品，加载样品的尾端固定设置在下固定块，加载样品的首端与摇杆的一端连接，摇杆的另一端从上固定块的矩形贯通孔中伸出至加载装置外。本发明通过摇杆的转动和弯曲实现样品的耦合加载。借助X射线断层照相，本发明能得到样品在弯曲扭转耦合加载过程中三维微结构及形变演化信息。

Description

一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置

技术领域

本发明属于机械装置，具体涉及一种基于X射线断层照相的原位加载装置。

背景技术

弯曲扭转耦合受力是指固定柱形材料或结构的一端，在另外一端，即自由端，同时施加一个剪切力和扭矩的受力形式。弯曲—扭转耦合作用在实际机械及工程结构中很常见：比如机械装置中的旋转轴总是不可避免的存在横向振动，就是一种典型的弯曲—扭转耦合受力；再比如建筑中的柱状结构有时不可避免的受到弯曲—扭转的作用，实际工程中柱结构的下部基础容易遭受到剪切和扭转的破坏。因此弯曲—扭转耦合受力具有重要的研究价值。

X射线断层照相是一种从观测数据来反演物理模型的测算方法，它利用X射线穿透样品并被部分吸收后，在检测器所得到的射线强度分布信号，在经过计算机对数据进行处理计算得到断层图像。因为X射线断层照相具有原位观测，三维透视的优点，所以被应用到广泛材料无损研究中。

X射线断层照相不但可直观的观测到材料的三维微细观结构的演变及损伤劣化，也可通过不同载荷下断层照相数据的数字图像相关计算获得样品的三维位移、应变信息。相对非原位测试方法，原位加载能够更准确把握损伤演化过程以及更加方便的对X射线断层照相进行对比处理获得定量演化数据，比如中国发明专利ZL201110163456.6(基于X射线断层照相的原位加载装置)提供了一种原位轴压工具。为了研究材料及构件在弯曲—扭转耦合受力作用下的变形及损伤，本发明提供了一种基于X射线断层照相的弯曲—扭转组合原位加载装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，能直接得到加载样品在加载过程中三维微结构的演化。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，包括上套环、上固定块、下套环、下固定块、套管、摇杆和加载固定装置；所述摇杆一端为粗端，粗端顶部开有摇杆盲孔，另一端为细端，细端顶部设有开槽；所述上固定块为中间开设有贯通孔的圆柱体；所述下固定块为中间开设有贯通孔的圆柱体；所述上固定块固定设置在套管的首端，且上固定块的外径与套管的内径切合；所述上套环固定设置在套管首端与上固定块相对应的位置，且上套环的内径与套管的外径切合；所述下固定块设置在套管的尾端，且下固定块的外径与套管的内径切合，所述下套环固定设置在套管尾端与下固定块相对应的位置，且下套环的内径与套管的外径切合；在所述套管内部设置加载样品，所述加载样品的尾端穿过下固定块的贯通孔中并伸出至加载装置外，所述加载样品的首端与摇杆的粗端连接，所述摇杆的细端从上固定块的贯通孔中伸出至加载装置外；通过摇杆(6)的转动和弯曲实现加载样品的耦合加载，待加载样品加载到对应位置后，通过加载固定装置固定住摇杆。

通过摇杆推移并转动之后，通过加载固定装置固定住摇杆，将加载装置放入X射线断层照相装置样品台，进行初次断层扫描照相；松动加载固定装置，实现原位在线卸载，再利用同样的照相参数，再次进行原位断层照相。

进一步的，所述加载样品的首端通过若干螺丝与摇杆盲孔固定，且所述螺丝均匀分布穿过摇杆盲孔的外壁加载在加载样品上；所述摇杆盲孔形状与尺寸与加载样品的首端吻合，且摇杆盲孔内贯入螺丝，内嵌至材料，通过摇杆盲孔与螺丝，螺丝与加载样品之间的摩擦起到将三者简化为统一的刚体，从而将摇杆的位移及转动转换为加载样品的位移及转动。

所述上套环和上固定块的径向均匀分布有螺纹孔，套管的首端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住上套环、套管和上固定块；所述下套环和下固定块的径向分布有螺纹孔，套管的尾端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住下套环、套管、下固定块，并和加载样品的尾端相抵，将加载样品与下套环、套管、下固定块固定成一体。

所述加载样品尾端穿过下固定块的通孔，下固定块的通孔形状与尺寸与加载样品的尾端吻合，通过摩擦及螺丝将加载样品稳定的固定于下固定块上。上套环，上固定块、下套环，下固定块和套管通过螺丝连接一体，加载首端受的力首先传递给摇杆，然后传递给上固定块，再传递至套管和上套环，材料尾端受的力直接作用到下固定块，再传递至套管和下套环上，整体受力均匀，有效避免了套管因受力过大而发生断裂。

进一步的，所述加载固定装置为上套环上的二个螺丝孔、上固定块上的二个螺丝孔、套管首端上的二个通孔和对应加载固定螺丝构成，这些孔分别为：在上套环、套管和上固定块上与直径重合的一条直线上，该直线与三者外径上的两个交点。

加载时，通过摇杆的细端连接扭转设备，扭转到需要的加载角度后，在扭转状态下用加载固定装置的两个加载固定螺丝穿过上套环、套管和上固定块对应螺纹孔和通孔与样品表面接触，通过两个加载固定螺丝的深度控制摇杆的弯距，并将摇杆固定。

进一步的，所述上固定块上的贯穿孔为矩形贯穿孔，该矩形贯穿孔的宽与摇杆细端直径相同，长大于宽。该矩形孔的宽与摇杆细端直径相同，从而限制摇杆的自由度只能扭转和在一个方向平移弯曲。

进一步的，所述套管的材质为碳纤维增强塑料、铝合金、氮化硼陶瓷或工程塑料；所述上套环、下套环、上固定块、下固定块和摇杆的材质为不锈钢或高强铝。对X射线衰弱小且具有优良力学性能，使X射线尽量通过材料窗口并且不被遮挡，保证断层照相成像质量。

有益效果：

1、本发明的本发明装置具有自洽、独立于X射线断层照相设备、体积小、便携、质量轻的特点；

2、本发明装置使用上套环→套管→上固定块→加载固定螺丝→摇杆→加载样品→下固定块→套管→下套环，受力传递路径明确简单，上、下固定块有效承载了力并将力均匀的分布到套管四周，从而保护了套管；

3、本发明装置采用对X射线衰弱小且具有优良力学性能的碳纤维增强塑料、铝合金、氮化硼陶瓷或工程塑料作为窗口材料，使X射线尽量通过窗口材料并且不被遮挡，保证断层照相成像质量；

4、本发明装置利用碳纤维增强塑料、铝合金、氮化硼陶瓷或工程塑料成为承力结构的套管，利用均匀分布的螺丝将套管与上固定块和下固定块紧固连接，解决了套管与上固定块、下固定块之间的连接问题，保证加载装置使用可靠性和使用寿命；

5、本发明装置可在X射线断层照相设备上进行原位加载样品测试，从而可以获得加载前后及加载过程中高分辨的X射线断层照相图像，不但能直接得到加载样品在加载过程中三维微结构的演化，而且借助于图像相关方法有望获取加载样品加载前后内部各点的位移及应变信息。

附图说明

附图1为本发明加载装置的主视图。

附图2为本发明加载装置的剖面图。

附图3为本发明摇杆的剖面图。

附图4为本发明上固定块的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，包括上套环1、上固定块4、下套环2、下固定块5、套管3、摇杆6和加载固定装置16；所述摇杆6一端为粗端，粗端顶部开有摇杆盲孔，另一端为细端，细端顶部设有开槽；所述上固定块4为中间开设有贯通孔的圆柱体，该贯穿孔为矩形贯穿孔，该矩形贯穿孔的宽与摇杆细端直径相同，长略大于宽。该矩形孔的宽与摇杆细端直径相同，从而限制摇杆的自由度只能扭转和在一个方向平移弯曲。所述下固定块5为中间开设有贯通孔的圆柱体；所述上固定块4固定设置在套管3的首端，且上固定块4的外径与套管3的内径切合；所述上套环1固定设置在套管3首端与上固定块4相对应的位置，且上套环1的内径与套管3的外径切合，所述上套环1和上固定块4的径向均匀分布有螺纹孔，套管3的首端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住上套环1、套管3和上固定块4；所述下固定块5设置在套管3的尾端，且下固定块5的外径与套管3的内径切合，所述下套环2固定设置在套管3尾端与下固定块5相对应的位置，且下套环2的内径与套管3的外径切合，所述下套环2和下固定块5的径向分布有螺纹孔，套管3的尾端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住下套环2、套管3、下固定块5，并和加载样品的尾端相抵，将加载样品与下套环2、套管3、下固定块5固定成一体；在所述套管3内部设置加载样品，所述加载样品的首端通过若干螺丝与摇杆盲孔固定，且所述螺丝均匀分布穿过摇杆盲孔的外壁加载在加载样品上；所述加载样品的尾端穿过下固定块5的贯通孔中并伸出至加载装置外，所述加载样品的首端与摇杆6的粗端连接，所述摇杆6的细端从上固定块4的贯通孔中伸出至加载装置外；通过摇杆6的转动和弯曲实现加载样品的耦合加载，待加载样品加载到对应位置后，通过加载固定装置16固定住摇杆6。

本发明中优选在圆周上120°三等分处分别开设螺纹孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔固定住上套环1、上固定块4、和套管3；下套环2、下固定块5和套管3。

所述加载固定装置16为上套环1上的二个螺丝孔、上固定块4上的二个螺丝孔、套管3首端上的二个通孔和对应固定螺丝构成，这些孔分别为：在上套环1、套管3和上固定块4上与直径重合的一条直线上，该直线与三者外径上的两个交点。加载时，通过摇杆6的细端连接扭转设备，扭转到需要的加载角度后，在扭转状态下用加载固定装置的两个加载固定螺丝16穿过上套环1、套管3和上固定块4对应螺纹孔和通孔与样品表面接触，通过两个加载固定螺丝16的深度控制摇杆的弯距，并将摇杆固定。

所述套管3的材质为碳纤维增强塑料、铝合金、氮化硼陶瓷或工程塑料；所述上套环1、下套环2、上固定块4、下固定块5和摇杆6的材质为不锈钢或高强铝。对X射线衰弱小且具有优良力学性能，使X射线尽量通过材料窗口并且不被遮挡，保证断层照相成像质量。

除了可以研究圆柱外，还可以通过简单的改变加载装置内部上、下套环形状来研究方柱，矩形柱，三角柱等多种加载样品的弯曲扭转受力性能。

使用本加载装置时：

(1)连接固定装置各部件及加载样品；

(2)离线加载：通过推移并转动摇杆6实现加载样品移动端的平移和转动，待平移和转动摇杆6到位后，拧紧加载固定螺丝16；

(3)将加载有加载样品的加载装置放入X射线断层照相装置样品台，完成初次断层扫描；

(4)轻轻的松动加载固定螺丝16，实现原位在线卸载；

(5)利用同样的照相参数，再次进行原位断层照相。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，其特征在于：包括上套环(1)、上固定块(4)、下套环(2)、下固定块(5)、套管(3)、摇杆(6)和加载固定装置(16)；

所述摇杆(6)一端为粗端，粗端顶部开有摇杆盲孔，另一端为细端，细端顶部设有开槽；所述上固定块(4)为中间开设有贯通孔的圆柱体；所述下固定块(5)为中间开设有贯通孔的圆柱体；

所述上固定块(4)固定设置在套管(3)的首端，且上固定块(4)的外径与套管(3)的内径切合；所述上套环(1)固定设置在套管(3)首端与上固定块(4)相对应的位置，且上套环(1)的内径与套管(3)的外径切合；

所述下固定块(5)设置在套管(3)的尾端，且下固定块(5)的外径与套管(3)的内径切合，所述下套环(2)固定设置在套管(3)尾端与下固定块(5)相对应的位置，且下套环(2)的内径与套管(3)的外径切合；

在所述套管(3)内部设置加载样品，所述加载样品的尾端穿过下固定块(5)的贯通孔中并伸出至加载装置外，所述加载样品的首端与摇杆(6)的粗端连接，所述摇杆(6)的细端从上固定块(4)的贯通孔中伸出至加载装置外；

通过摇杆(6)的转动和弯曲实现加载样品的耦合加载，待加载样品加载到对应位置后，通过加载固定装置(16)固定住摇杆(6)。

2.根据权利要求1所述一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，其特征在于：所述加载样品的首端通过若干螺丝与摇杆盲孔固定，且所述螺丝均匀分布穿过摇杆盲孔的外壁加载在加载样品上；

所述上套环(1)和上固定块(4)的径向均匀分布有螺纹孔，套管(3)的首端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住上套环(1)、套管(3)和上固定块(4)；

所述下套环(2)和下固定块(5)的径向分布有螺纹孔，套管(3)的尾端径向均匀分布有对应位置的通孔，通过螺丝穿过对应螺纹孔和通孔固定住下套环(2)、套管(3)、下固定块(5)，并和加载样品的尾端相抵，将加载样品与下套环(2)、套管(3)、下固定块(5)固定成一体。

3.根据权利要求1所述一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，其特征在于：所述加载固定装置(16)为上套环(1)上的二个螺丝孔、上固定块(4)上的二个螺丝孔、套管(3)首端上的二个通孔和对应加载固定螺丝构成，这些孔分别为：在上套环(1)、套管(3)和上固定块(4)上与直径重合的一条直线上，该直线与三者外径上的两个交点。

4.根据权利要求1所述一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，其特征在于：所述上固定块(4)上的贯穿孔为矩形贯穿孔，该矩形贯穿孔的宽与摇杆细端直径相同，长大于宽。

5.根据权利要求1所述一种基于X射线断层照相的弯曲扭转耦合原位加载装置，其特征在于：所述套管(3)的材质为碳纤维增强塑料、铝合金、氮化硼陶瓷；所述上套环(1)、下套环(2)、上固定块(4)、下固定块(5)和摇杆(6)的材质为不锈钢或高强铝。