基于x射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置及使用方法，包括上夾塊、下夾塊、應(yīng)力傳感器、加載螺絲和位移傳感器，所述上夾塊與下夾塊通過支撐柱上下平行間距固定設(shè)置；所述下夾塊上表由下至上依次設(shè)置加載樣品、墊塊和應(yīng)力傳感器，且加載樣品可在墊塊與下夾塊之間自由滑動；所述加載螺絲穿過螺絲孔，與應(yīng)力傳感器上表面相抵，所述位移傳感器穿過孔洞，與應(yīng)力傳感器上表面邊緣相抵。本發(fā)明的加載荷載只作用在加載裝置內(nèi)部，不作用在樣品臺上，借助X射線斷層照相，可在線研究樣品在等雙軸彎曲作用下的三維微結(jié)構(gòu)演變。
【專利說明】基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置及使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械加載裝置，尤其涉及一種X射線斷層照相的等雙軸彎曲原位加載 裝直。

【背景技術(shù)】
[0002] 等雙軸彎曲是指在樣品一面施加中心集中荷載，另一面施加環(huán)形均布荷載的受力 方式。等雙軸彎曲在板狀樣品的一個表面施加了等雙軸拉應(yīng)力，在相對的另一個表面施加 了對等的等雙軸壓應(yīng)力。等雙軸彎曲作為一種材料雙軸抗拉強(qiáng)度的基本方法得到廣泛應(yīng) 用。另外，等雙軸彎曲的研究還具有廣泛的現(xiàn)實意義，比如土木工程領(lǐng)域中的一些板狀構(gòu)件 承受等雙軸彎曲作用，再比如地震作用下為了進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的三維非線性地震反應(yīng) 分析，反映軸向變形與雙軸彎曲的耦合作用等。作為材料或結(jié)構(gòu)的一種典型的受力方式， 等雙軸彎曲作用下的材料或結(jié)構(gòu)的變形及損傷行為研究非常重要。
[0003] 斷層照相是從觀測數(shù)據(jù)來反演物理模型的計算方法，X射線斷層照相就是利用X 射線穿透各種材料并被部分吸收后，在檢測器得到的射線強(qiáng)度信號，再經(jīng)過計算機(jī)對數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理計算得到斷層像。斷層照相不但可直觀的觀測到材料的三維微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演變及 損傷劣化，也可通過不同載荷下數(shù)據(jù)的對比獲得材料的三維位移、應(yīng)變變量。由于X射線斷 層照相穿透性好、對材料無損傷、可原位觀測的優(yōu)點使該技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景。相比非原 位測試技術(shù)，原位加載系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確把握損傷演化過程以及更加方便的對X射線斷層照 相進(jìn)行對比處理獲得定量演化數(shù)據(jù)，比如中國發(fā)明專利ZL201110163456. 6 (基于X射線斷 層照相的原位加載裝置）提供了一種原位軸壓工具。為了研究材料及構(gòu)件在等雙軸彎曲下 的力學(xué)變形及損傷，本發(fā)明提供了基于X射線斷層照相的等雙軸彎曲原位加載裝置及其使 用方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于X射線斷層照 相等雙軸彎曲原位加載裝置及使用方法，可以獲取樣品加載前后內(nèi)部各點的位移及應(yīng)變變 量，得到樣品在加載過程中三維微結(jié)構(gòu)的演化過程，獲取高分辨的X射線斷層照相圖像。
[0005] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，包括上夾塊、下夾塊、應(yīng)力傳感 器、加載螺絲和位移傳感器，所述上夾塊與下夾塊通過若干支撐柱上下平行間距固定設(shè)置； 在所述上夾塊與下夾塊間距區(qū)間內(nèi)，所述下夾塊上表面設(shè)置有加載樣品，且加載樣品可在 下夾塊上表面自由滑動，所述加載樣品上表面中心設(shè)置有墊塊，且墊塊可在加載樣品上表 面自由滑動，所述墊塊上表面設(shè)置有應(yīng)力傳感器；所述上夾塊中心設(shè)有貫穿的中心螺絲孔， 所述加載螺絲穿過螺絲孔，與應(yīng)力傳感器上表面中心相抵，所述上夾塊中心螺絲孔旁設(shè)有 貫穿的孔洞，所述位移傳感器穿過孔洞，與應(yīng)力傳感器上表面邊緣相抵。
[0007] 進(jìn)一步，所述墊塊為圓柱形，與應(yīng)力傳感器的直徑大小相同。以便于墊塊與應(yīng)力傳 感器的對齊，從而保證加載過程中樣品上表面集中荷載通過樣品中心。
[0008] 進(jìn)一步，所述下夾塊上表面設(shè)有至少三個等距分布的凹槽，且凹槽以下夾塊為圓 心，在對應(yīng)凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)；所述墊塊下表面中心設(shè)有一個凹槽，且其中心與下 夾塊中心相對應(yīng)，在對應(yīng)凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)。
[0009] 進(jìn)一步，所述的支撐柱為四根，所述支撐柱的材質(zhì)為碳纖維增強(qiáng)塑料、鋁合金、氮 化硼陶瓷或工程塑料。
[0010] 進(jìn)一步，所述支撐柱上端通過水平擠壓設(shè)置的上端緊固螺栓與上夾塊緊固，所述 支撐柱下端通過水平擠壓設(shè)置的下端緊固螺栓與下夾塊緊固。所述位移傳感器通過水平擠 壓設(shè)置的固定螺栓與上夾塊緊固。
[0011] 基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置的使用方法，包括如下步驟：
[0012] a、水平放置下夾塊，將若干根支撐柱插入下夾塊的下端連接孔中，使支撐柱下端 與下夾塊下表面齊平，通過下端緊固螺栓緊固，并往下端連接孔內(nèi)灌入強(qiáng)力膠；
[0013] b、調(diào)整上夾塊的位置，將四根支撐柱的上端穿過上夾塊的上端連接孔，使支撐柱 上端與上夾塊上表面齊平，通過上端緊固螺栓緊固，并往上端連接孔內(nèi)灌入強(qiáng)力膠；
[0014] c、在下夾塊上表面凹槽內(nèi)放入鋼珠或光滑剛環(huán)，將加載樣品放在鋼珠或光滑剛環(huán) 上，并使加載樣品中心與鋼珠或光滑剛環(huán)圍成的圓形中心相重合；
[0015] d、將應(yīng)力傳感器放置在墊塊上，墊塊下表面凹槽內(nèi)的鋼珠或光滑剛環(huán)按壓在加載 樣品上表面的中心，從上夾塊中心螺絲孔中擰入加載螺絲，直到加載螺絲一端與應(yīng)力傳感 器上表面中心相抵接觸，從上夾塊上表面的孔洞中放入位移傳感器，使得位移傳感器的傳 感頭與應(yīng)力傳感器上表面相抵接觸，并通過固定螺栓緊固；
[0016] e、調(diào)整位移傳感器位置，預(yù)留加載位移余量，記錄此時應(yīng)力傳感器和位移傳感器 的讀數(shù)，作為應(yīng)力比為零時的初始位置；
[0017] f、將上述原位加載裝置及加載樣品放入X射線斷層照相裝置樣品臺夾具并固定， 完成初次掃描；
[0018] g、原位加載并記錄此時的應(yīng)力傳感器與位移傳感器的載荷和位移數(shù)據(jù)；
[0019] h、再次進(jìn)行原位斷層照相；
[0020] i、根據(jù)實驗需要，增加載荷，多次重復(fù)g、h步驟；
[0021] 進(jìn)一步，所述下夾塊通過圓柱把手固定在樣品臺夾具上，所述X射線斷層照相裝 置包括醫(yī)用X射線斷層照相裝置、工業(yè)X射線斷層照相裝置、顯微X射線斷層照相裝置。
[0022] 有益效果：1、本發(fā)明裝置具有自洽、獨立于X射線斷層照相設(shè)備、體積小、便攜、質(zhì) 量輕的特點。
[0023] 2、本發(fā)明選擇：加載螺絲一應(yīng)力傳感器一墊塊一鋼珠一加載樣品上表面的荷載傳 遞路徑，減小原位試驗誤差。
[0024] 3、本發(fā)明采用對X射線衰弱小且具有優(yōu)良力學(xué)性能的碳纖維增強(qiáng)塑料、鋁合金、 氮化硼陶瓷或工程塑料作為窗口材料，使X射線盡量通過窗口材料并且不被遮擋，保證斷 層照相成像質(zhì)量。
[0025] 4、本發(fā)明利用碳纖維增強(qiáng)塑料成為承力結(jié)構(gòu)，利用上、下夾塊的上、下端緊固螺栓 固緊，解決了碳纖維增強(qiáng)塑料與上、下夾塊間的連接問題，保證裝置使用可靠性和使用壽 命。
[0026] 5、本發(fā)明裝置是一個X射線斷層照相設(shè)備的自洽裝置，即荷載只作用在該裝置內(nèi) 部，不作用在樣品臺上，從而方便使用。
[0027] 6、本發(fā)明裝置可在X射線斷層照相設(shè)備上進(jìn)行原位加載材料測試，從而可以獲得 加載前后及加載過程中高分辨的X射線斷層照相圖像，獲取樣品加載前后內(nèi)部各點的位移 及應(yīng)變變量，得到樣品在加載過程中三維微結(jié)構(gòu)的演化過程，進(jìn)而通過相應(yīng)的數(shù)字圖像處 理獲取樣品加載前后內(nèi)部各點的位移及應(yīng)變信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 附圖1是本發(fā)明實施例的主視圖。
[0029] 附圖2本發(fā)明實施例的左視圖。
[0030] 附圖3本發(fā)明實施例的俯視圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0032] 如附圖1、2和3所示，基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，包括上夾塊 1、下夾塊2、應(yīng)力傳感器4、加載螺絲6和位移傳感器5,所述上夾塊1與下夾塊2通過若干 支撐柱3上下平行間距固定設(shè)置，本發(fā)明中優(yōu)選四根支撐柱3,所述支撐柱3上端通過水平 擠壓設(shè)置的上端緊固螺栓9與上夾塊1緊固，所述支撐柱3下端通過水平擠壓設(shè)置的下端 緊固螺栓10與下夾塊2緊固，上夾塊1與下夾塊2呈相互平行間距的上下組合，兩者之間 形成間距區(qū)間，所述支撐柱3的材質(zhì)為碳纖維增強(qiáng)塑料、鋁合金、氮化硼陶瓷或工程塑料， 對X射線衰弱小且具有優(yōu)良力學(xué)性能，保證裝置的可靠性和使用壽命的基礎(chǔ)上，使X射線 盡量通過材料窗口并且不被遮擋，確保斷層照相成像質(zhì)量。在所述上夾塊1與下夾塊2間 距區(qū)間內(nèi)，所述下夾塊2上表面設(shè)置有加載樣品，在所述下夾塊2與加載樣品之間，下夾塊 2上表面設(shè)有至少三個等距分布的凹槽，本發(fā)明優(yōu)選六個凹槽，且凹槽以下夾塊2為圓心， 在對應(yīng)凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)，加載樣品可在下夾塊2上表面的鋼珠或光滑剛環(huán)上自 由滑動。所述加載樣品上表面中心設(shè)置有墊塊7,本發(fā)明中優(yōu)選圓柱形墊塊，在墊塊7與加 載樣品之間，所述墊塊7下表面中心設(shè)有一個凹槽，且其中心與下夾塊2中心相對應(yīng)，在對 應(yīng)凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)，且墊塊7可在加載樣品上表面的鋼珠或光滑剛環(huán)上自由滑 動，所述墊塊7上表面設(shè)置有應(yīng)力傳感器4,墊塊7與應(yīng)力傳感器4的直徑大小相同。所述 上夾塊1中心設(shè)有貫穿的中心螺絲孔，所述加載螺絲6穿過螺絲孔，與應(yīng)力傳感器4上表面 中心相抵，所述上夾塊1中心螺絲孔旁設(shè)有貫穿的孔洞，所述位移傳感器5穿過孔洞，與應(yīng) 力傳感器4上表面中心相抵，所述位移傳感器5通過水平擠壓設(shè)置的固定螺栓11與上夾塊 1緊固。
[0033] 本發(fā)明基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置的使用方法，包括如下步 驟：
[0034] a、水平放置下夾塊2,將若干根支撐柱3插入下夾塊2的下端連接孔112中，使支 撐柱3下端與下夾塊2下表面齊平，通過下端緊固螺栓10利用其摩擦力水平緊固住支撐柱 3,并往下端連接孔112內(nèi)灌入強(qiáng)力膠；
[0035] b、調(diào)整上夾塊1的位置，將四根支撐柱3的上端穿過上夾塊1的上端連接孔111， 使支撐柱3上端與上夾塊1上表面齊平，通過上端緊固螺栓9利用其摩擦力水平緊固住支 撐柱3,并往上端連接孔111內(nèi)灌入強(qiáng)力膠，上夾塊1與下夾快之間保持平行間距；
[0036] c、在下夾塊2上表面凹槽內(nèi)放入鋼珠或光滑剛環(huán)，將加載樣品放在鋼珠或光滑剛 環(huán)上，并使加載樣品中心與鋼珠或光滑剛環(huán)圍成的圓形中心相重合；
[0037] d、將應(yīng)力傳感器4放置在墊塊7上（墊塊7與應(yīng)力傳感器4的直徑相同），墊塊7 下表面凹槽內(nèi)的鋼珠或光滑剛環(huán)按壓在加載樣品上表面的中心，從上夾塊1中心螺絲孔中 擰入加載螺絲6,直到加載螺絲6 -端與應(yīng)力傳感器4上表面中心相抵接觸，于是整個裝置 的加載螺絲6、應(yīng)力傳感器4、墊塊7、鋼珠或光滑剛環(huán)以及加載樣品中心共同處于一條直線 上，用一個較小的力固定住樣品。從上夾塊1上表面的孔洞中放入位移傳感器5,使得位移 傳感器5的傳感頭與應(yīng)力傳感器4上表面相抵接觸，并通過固定螺栓11緊固；
[0038] e、調(diào)整位移傳感器5位置，預(yù)留加載位移余量，記錄此時應(yīng)力傳感器4和位移傳感 器5的讀數(shù)，作為應(yīng)力比為零時的初始位置；
[0039] f、將上述原位加載裝置及加載樣品放入X射線斷層照相裝置樣品臺夾具并固定， 完成初次掃描；
[0040] g、原位加載并記錄此時的應(yīng)力傳感器4與位移傳感器5的載荷和位移數(shù)據(jù)；
[0041] h、再次進(jìn)行原位斷層照相；
[0042] i、根據(jù)實驗需要，增加載荷，多次重復(fù)g、h步驟；
[0043] 進(jìn)一步的，所述X射線斷層照相裝置具體包括醫(yī)用X射線斷層照相裝置、工業(yè)X射 線斷層照相裝置、顯微X射線斷層照相裝置。
[0044] 該加載裝置可在不同荷載和位移下采集加載樣品加載后的X射線斷層照相的三 維斷層圖像，然后對加載前及不同加載程度的試件的三維斷層圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、對比研 究，可得到加載樣品加載前后的微結(jié)構(gòu)演化及三維位移、應(yīng)變信息。
[0045] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于：包括上夾塊（1)、下夾 塊（2)、應(yīng)力傳感器（4)、加載螺絲（6)和位移傳感器（5)，所述上夾塊（1)與下夾塊（2)通 過若干支撐柱（3)上下平行間距固定設(shè)置；在所述上夾塊（1)與下夾塊（2)間距區(qū)間內(nèi)， 所述下夾塊（2)上表面設(shè)置有加載樣品，且加載樣品可在下夾塊（2)上表面自由滑動，所述 加載樣品上表面中心設(shè)置有墊塊（7)，且墊塊（7)可在加載樣品上表面自由滑動，所述墊塊 (7)上表面設(shè)置有應(yīng)力傳感器（4);所述上夾塊（1)中心設(shè)有貫穿的中心螺絲孔，所述加載 螺絲（6)穿過螺絲孔，與應(yīng)力傳感器（4)上表面中心相抵，所述上夾塊（1)中心螺絲孔旁設(shè) 有貫穿的孔洞，所述位移傳感器（5)穿過孔洞，與應(yīng)力傳感器（4)上表面邊緣相抵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述墊塊（7)為圓柱形，與應(yīng)力傳感器（4)的直徑大小相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述下夾塊（2)上表面設(shè)有至少三個等距分布的凹槽，且凹槽以下夾塊（2)為圓心，在對應(yīng) 凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)；所述墊塊（7)下表面中心設(shè)有一個凹槽，且其中心與下夾塊 (2)中心相對應(yīng)，在對應(yīng)凹槽內(nèi)設(shè)有鋼珠或光滑剛環(huán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述支撐柱（3)的材質(zhì)為碳纖維增強(qiáng)塑料、鋁合金、氮化硼陶瓷或工程塑料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述支撐柱（3)上端通過水平擠壓設(shè)置的上端緊固螺栓（9)與上夾塊（1)緊固，所述支撐 柱（3)下端通過水平擠壓設(shè)置的下端緊固螺栓（10)與下夾塊（2)緊固。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述位移傳感器（5)通過水平擠壓設(shè)置的固定螺栓（11)與上夾塊（1)緊固。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置，其特征在于： 所述的支撐柱⑶為四根。
8. 基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置的使用方法，其特征在于，包括如下 步驟： a、 水平放置下夾塊（2)，將若干根支撐柱（3)插入下夾塊（2)的下端連接孔（112)中， 使支撐柱（3)下端與下夾塊（2)下表面齊平，通過下端緊固螺栓（10)緊固，并往下端連接 孔（112)內(nèi)灌入強(qiáng)力膠； b、 調(diào)整上夾塊（1)的位置，將四根支撐柱（3)的上端穿過上夾塊（1)的上端連接孔 (111)，使支撐柱（3)上端與上夾塊（1)上表面齊平，通過上端緊固螺栓（9)緊固，并往上端 連接孔（111)內(nèi)灌入強(qiáng)力膠； c、 在下夾塊（2)上表面凹槽內(nèi)放入鋼珠或光滑剛環(huán)，將加載樣品放在鋼珠或光滑剛環(huán) 上，并使加載樣品中心與鋼珠或光滑剛環(huán)圍成的圓形中心相重合； d、 將應(yīng)力傳感器（4)放置在墊塊（7)上，墊塊（7)下表面凹槽內(nèi)的鋼珠或光滑剛環(huán)按 壓在加載樣品上表面的中心，從上夾塊（1)中心螺絲孔中擰入加載螺絲（6)，直到加載螺絲 (6) -端與應(yīng)力傳感器（4)上表面中心相抵接觸，從上夾塊（1)上表面的孔洞中放入位移傳 感器（5)，使得位移傳感器（5)的傳感頭與應(yīng)力傳感器（4)上表面相抵接觸，并通過固定螺 栓（11)緊固； e、 調(diào)整位移傳感器（5)位置，預(yù)留加載位移余量，記錄此時應(yīng)力傳感器（4)和位移傳感 器（5)的讀數(shù)，作為應(yīng)力比為零時的初始位置； f、 將上述原位加載裝置及加載樣品放入X射線斷層照相裝置樣品臺夾具并固定，完成 初次掃描； g、 原位加載并記錄此時的應(yīng)力傳感器（4)與位移傳感器（5)的載荷和位移數(shù)據(jù)； h、 再次進(jìn)行原位斷層照相； i、 根據(jù)實驗需要，增加載荷，多次重復(fù)g、h步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置的使用方法，其 特征在于：所述下夾塊（2)通過圓柱把手固定在樣品臺夾具上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述基于X射線斷層照相等雙軸彎曲原位加載裝置的使用方法，其 特征在于：所述X射線斷層照相裝置包括醫(yī)用X射線斷層照相裝置、工業(yè)X射線斷層照相裝 置、顯微X射線斷層照相裝置。
【文檔編號】G01N3/20GK104215526SQ201410495040
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】萬克樹, 曹徐陽, 徐大成 申請人:東南大學(xué)