CN108333044B - 一种适用于ct扫描的动力劈拉加载试验设备 - Google Patents
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Abstract
适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，包括拉力平台、拉压转换机构、压力平台、万向头、钢杆、试件、约束平台、压力和位移传感器以及计算机控制系统。试件能被加持在约束平台和压力平台之间；平行加压的实现由万向头保证；压力平台和约束平台通过钢杆连接成反力架，形成自平衡系统；拉力平台和压力平台通过拉压转换机构连接，实现了将拉力荷载转化为压力荷载；拉力平台外接液压拉伸器进行动力荷载的施加；荷载和位移传感器、计算机控制系统能够保证试验的加载方式和加载速率，同时记录实验数据。本发明体积小、便于移动，能够置于医用X射线CT机的探测范围内，可实现测量与加载同步，有效解决了劈拉试验过程中同步记录裂纹开裂进程的难题。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料中脆性材料的劈裂拉伸性能测试领域，特别是一种适用于医用X射线CT扫描仪的动力劈拉加载试验设备。
背景技术
脆性材料在受拉产生不稳定发展的裂缝之后，往往会产生脆性断裂破坏的现象。这种破坏会导致建筑物迅速倒塌，造成巨大的经济损失，威胁公众生命安全，给人们的心理也造成了不可避免的影响。这就要求材料除基本力学参数达标之外，还要有足够的抗拉伸性能和韧性性能。劈拉加载试验设备则可满足材料此类韧性性能的测试。
然而，学者们在进行劈拉试验的研究时发现，由于材料的非均质性和各向异性，试件在受力过程中裂纹的萌生位置、扩展路径和最终的断裂特性影响着它的韧性性能，因此对裂纹演化进程的研究及其必要。有些学者采用高速摄像机、应变计和数字图像相关法等方法进行裂纹演化进程的研究，但此类方法仅能捕捉到试件表面裂纹的发展，但是不能够同步获得试件破坏进程中的三维裂纹扩展图像。
另外，CT技术是基于X射线强有力穿透力的特点，通过放射源和探测器进行全方位的断面扫描，并根据扫描对象各个断面的结构特征，通过电脑软件进行三维的数字图像重建，从而精确研究对象各个细部的一种手段。X射线CT技术为研究材料脆断过程中内部裂纹的走向提供了可能。
由于劈裂拉伸试验的加载设备与医用X射线CT扫描仪器的局限性，现阶段在劈拉试验加载设备上引入CT扫描仪器是无法实现的。为此，申请人发明了一种可置于医用CT扫描仪内进行试验研究的动力劈拉加载实验设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备。该设备体积小、携带方便，能置于CT扫描仪内，使用过程中可通过CT扫描技术同步获取到试件内部三维的裂纹扩展图像。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于，所述设备包括拉力平台1、拉压转换机构2、钢杆3、压力平台4、万向头5、试件6、约束平台7、荷载和位移传感器8、计算机控制系统9；所述拉力平台1外接液压拉伸仪、荷载和位移传感器8以及计算机控制系统9构成了设备的荷载施加控制系统；拉力平台1与压力平台4通过拉压转换机构2连接，所述拉压转换机构2通过自身的变形将拉力平台1的荷载传到压力平台4中，即将外部拉力荷载转换为压力荷载；拉压转换机构2一端铰接于拉力平台1，另两端分别铰接于约束平台7端部和压力平台4端部，压力平台4和约束平台7通过钢杆3连接，万向头5一端铰接于压力平台4端部，一端与试件6接触，试件6放置于约束平台7和万向头5之间。
优选的，压力平台4和约束平台7的最大距离应小于钢杆3长度，拉力平台1与压力平台4的加载方向垂直；钢杆3固定于约束平台7并保持与约束平台面垂直；钢杆3与压力平台4可沿钢杆3方向无摩擦移动，钢杆3、压力平台4和约束平台7形成自平衡系统；优选的，万向头5与钢杆3接触，两者可沿钢杆3方向无摩擦移动；万向头5可确保施加于试件6的压力垂直于该接触面，试件6加载方向与钢杆3长度方向一致，并应置于约束平台7中点，试件6侧边不与设备接触。
优选的，该劈拉加载试验设备材料选用高强度、低X射线吸收系数材料，如铝合金材料。
此外，本发明还提供了上述适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备的使用方法。
本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：
1.本发明体积小、重量轻，可整体放置于医用CT机的病床并推动进入扫描空间。设备材料能够降低设备对试件扫描形成CT图形的干扰；自平衡系统噪声低、振动小，进一步降低了对CT扫描仪成像的干扰。
2.本发明拉力平台施荷方向与压力平台施荷方向垂直，有效解决了直接加压方向空间尺度过小的问题。拉压转换机构传力路径简单，摩擦力小，减少了试验过程中荷载的损失。
3.本发明中钢杆保证了压力的施加方向，万向头保证了试件的垂直接触面受力，荷载和位移传感器以及电脑控制系统保证了施荷控制精度。
附图说明
图1为本发明一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备的结构主视图；
图2为本发明的三维拆解结构示意图；
图3为本发明的计算简图；
图4为本发明位移预加载过程的计算简图；
图5为本发明位移加载过程的计算简图；
图6为本发明荷载控制加载过程的计算简图。
附图标记：1-拉力平台；2-拉压转换机构；3-钢杆；4-压力平台(加压端)；5-万向头；6-试件；7-约束平台(不动端)；8-荷载和位移传感器；9-计算机控制系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1本发明所述一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备结构说明如图1,图2所示，一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，包括拉力平台1、拉压转换机构2、钢杆3、压力平台(加压端)4、万向头5、试件6、约束平台(不动端)7、荷载和位移传感器8、计算机控制系统9。
所述拉力平台1外接的液压拉伸仪、荷载和位移传感器8以及计算机控制系统9构成了设备的荷载施加控制系统。
拉力平台1与压力平台4通过拉压转换机构2连接，所述拉压转换机构2通过自身的变形将拉力平台1的荷载传到压力平台4中，即将外部拉力荷载转换为压力荷载。拉压转换机构2一端铰接于拉力平台1，另两端分别铰接于约束平台7端部和压力平台4端部。拉力平台1与压力平台4的加载方向垂直。
压力平台4和约束平台7通过钢杆3连接，钢杆3固定于约束平台7并保持与约束平台面垂直；钢杆3与压力平台4可沿钢杆3方向无摩擦移动。钢杆3、压力平台4和约束平台7形成自平衡系统。
为保证设备的整体性，压力平台4和约束平台7的最大距离应小于钢杆3长度。
万向头5一端铰接于压力平台4端部，一端与试件6接触，确保施加于试件6的压力垂直于该接触面。
万向头5与钢杆3间的接触，两者可沿钢杆3方向无摩擦移动。
试件6放置于约束平台7和万向头5之间，试件6加载方向与钢杆3长度方向一致，并应置于约束平台7中点，试件6侧边不与设备接触。
实施例2本发明所述一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备使用方法具体试验步骤如下：
步骤1，放置并调整设备：将设备约束平台7固定于CT扫描仪病床上，调整使钢杆3长度方向与扫描断面方向平行；
步骤2，加载及量测系统的安装：将液压拉伸器连接于两端拉力平台1，将荷载和位移传感器8安装好并连接至电脑；
步骤3，实验参数的设定：选择试验的控制加载方式(荷载控制或位移控制)，设定初始参数(位移初始参数x0或力的初始参数F0，用于预夹紧试件)、增量参数(位移增量参数x或力的增量参数k，用于控制试验加载速率)和卸载参数(位移极限值xm或最大拉力Tm，达到该标准值或试件出现破坏时停止加载)；
步骤4，试件6的安装与调整：将试件6放置于约束平台7中部，试件6长度方向(扫描方向)应与CT扫描断面方向一致，在试件6下部放置垫块固定试件6的位置。如图3，此时拉压转换机构2为伸直状态(长为l0)，万向头5与试件6端部尚未接触，此时仪器内部无荷载产生；
步骤5，预加载步：启动液压拉伸器，使按照设定的初始参数进行预夹紧试件6，并将垫块撤出。此处以位移控制加载方式为例，荷载控制加载方式同样适用。如图4，此时万向头5与试件6接触且有较小作用力(可忽略)，拉压转换机构2隆起长度为y0，与原长度方向夹角为α0，已知投影长度l，T0和F0的力均可忽略为0；
进一步的，步骤5中存在的几何关系为：
l＝l0-x0
步骤6，加载步：如图5，规定每一步试件6长度方向压缩位移为x，则第一步时拉压转换机构2隆起长度为y，与原长度方向夹角为α1，此时投影长度为(l-x)；
进一步的，步骤6中存在的几何关系为：
因此，计算机控制系统仅需保证拉伸方向的位移为下式即可。
步骤7，卸载步：当试验达到预定卸载参数时(即xm≤nx)或试验中出现较大位移(试件破坏)时，液压拉伸器开始卸载，计算机保存相关数据，试验结束。
同样的，当采用荷载控制加载方式时，还需通过位移传感器测量加载方向的位移变化。由图6，可给出以下关系公式：
步骤5中根据设定的F0进行预加载，此时T0和F0均有力但是很小(可忽略为0)，由位移传感器测得此时的y0，由力平衡条件：
步骤6中，规定每一步试件长度方向压缩荷载为F＝k，则第n步时拉压转换机构施加荷载为Tn，由位移传感器测得此时的y，因此：
步骤7中，当试验达到预定卸载参数时(即Tm≤Tn)或荷载加不上去(试件破坏)时，液压拉伸器开始卸载，计算机保存相关数据，试验结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于，所述设备包括拉力平台(1)、拉压转换机构(2)、钢杆(3)、压力平台(4)、万向头(5)、试件(6)、约束平台(7)、荷载和位移传感器(8)、计算机控制系统(9)；所述拉力平台(1)外接液压拉伸仪、荷载和位移传感器(8)以及计算机控制系统(9)构成了设备的荷载施加控制系统；拉力平台(1)与压力平台(4)通过拉压转换机构(2)连接，所述拉压转换机构(2)通过自身的变形将拉力平台(1)的荷载传到压力平台(4)中，即将外部拉力荷载转换为压力荷载；拉压转换机构(2)一端铰接于拉力平台(1)，另两端分别铰接于约束平台(7)端部和压力平台(4)端部，压力平台(4)和约束平台(7)通过钢杆(3)连接，万向头(5)一端铰接于压力平台(4)端部，一端与试件(6)接触，试件(6)放置于约束平台(7)和万向头(5)之间。
2.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：压力平台(4)和约束平台(7)的最大距离应小于钢杆(3)长度。
3.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：拉力平台(1)与压力平台(4)的加载方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：钢杆(3)固定于约束平台(7)并保持与约束平台面垂直；钢杆(3)与压力平台(4)可沿钢杆(3)方向无摩擦移动，钢杆(3)、压力平台(4)和约束平台(7)形成自平衡系统。
5.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：万向头(5)与钢杆(3)接触，两者可沿钢杆(3)方向无摩擦移动。
6.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：万向头(5)可确保施加于试件(6)的压力垂直于万向头(5)与试件(6)的接触面。
7.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：试件(6)加载方向与钢杆(3)长度方向一致，并应置于约束平台(7)中点，试件(6)侧边不与设备接触。
8.根据权利要求1所述的一种适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备，其特征在于：所述劈拉加载试验设备材料选用铝合金。
9.一种如权利要求1-7任一项所述适用于CT扫描的动力劈拉加载试验设备的使用方法，具体试验步骤如下：
步骤1，放置并调整设备：将设备约束平台(7)固定于CT扫描仪病床上，调整使钢杆3长度方向与扫描断面方向平行；
步骤2，加载及量测系统的安装：将液压拉伸器连接于两端拉力平台(1)，将荷载和位移传感器(8)安装好并连接至电脑；
步骤3，实验参数的设定：选择荷载控制或位移控制的控制加载方式，设定位移初始参数x0或力的初始参数F0用于预夹紧试件、设置位移增量参数x或力的增量参数k用于控制试验加载速率，选定位移极限值xm或最大拉力Tm作为停止加载的标准值，达到该标准值或试件出现破坏时停止加载；
步骤4，试件(6)的安装与调整：将试件(6)放置于约束平台(7)中部，试件(6)长度方向应与CT扫描断面方向一致，在试件(6)下部放置垫块固定试件(6)的位置，此时拉压转换机构(2)为伸直状态，长为l0，万向头(5)与试件(6)端部尚未接触，此时仪器内部无荷载产生；
步骤5，预加载步：启动液压拉伸器，使按照设定的初始参数进行预夹紧试件(6)，并将垫块撤出，此处以位移控制加载方式为例，荷载控制加载方式同样适用，此时万向头(5)与试件(6)接触且有较小作用力，拉压转换机构(2)隆起长度为y0，与原长度方向夹角为α0，已知投影长度l，T0和F0的力均可忽略为0；
进一步的，步骤5中存在的几何关系为：
l＝l0-x0
步骤6，加载步：规定每一步试件6长度方向压缩位移为x，则第一步时拉压转换机构(2)隆起长度为y，与原长度方向夹角为α1，此时投影长度为l-x；
进一步的，步骤6中存在的几何关系为：
因此，计算机控制系统仅需保证拉伸方向的位移为下式即可；
步骤7，卸载步：当即xm≤nx或试件破坏时，液压拉伸器开始卸载，计算机保存相关数据，试验结束；
同样的，当采用荷载控制加载方式时，还需通过位移传感器测量加载方向的位移变化，可给出以下关系公式：
在上述步骤5中根据设定的F0进行预加载，此时T0和F0均有力但可忽略为0，由位移传感器测得此时的y0，由力平衡条件：
在步骤6中，规定每一步试件长度方向压缩荷载为F＝k，则第n步时拉压转换机构施加荷载为Tn，由位移传感器测得此时的y，因此：
在步骤7中，当Tm≤Tn或试件破坏时，液压拉伸器开始卸载，计算机保存相关数据，试验结束。
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Also Published As
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