CN110907285B - 一种用于dvc方法试验的微型加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料力学性能测试技术领域，涉及一种用于DVC方法试验的微型加载装置；包含：加载驱动机构、底部支撑机构、框架、传动轴；加载驱动机构与底部支撑机构通过传动轴同步旋转；加载驱动机构包括：滚珠丝杠组件、上部传动齿轮组、中间传力支柱、上部平台板、中间平台板、模具弹簧、下部平台板、上部夹具；所述底部支撑机构包含：下部夹具、载荷传感器、下部传动齿轮组；底座；当转动手轮带动滚珠丝杠上下运动时，通过平面轴承与滚珠丝杠下端相连接的加载驱动机构中间平台板也随之上下运动，从而使布置于加载驱动机构中的模具弹簧发生拉伸或压缩变形，为被检测试样精确施加规定方向和大小的载荷，并通过载荷传感器进行实时监测。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试技术领域，涉及一种用于DVC方法试验的微型加载装置，可用于航空航天工业、核工业、汽车工业、石油工业、船舶与海洋装备工业、生物医学、材料科学、土木工程、机械制造工业等领域的材料力学性能测量及内部三维变形场可视化分析、损伤拓展与破坏机制研究及零部件的无损检测。
背景技术
以3D打印材料和高性能复合材料为代表的新型材料在现代工业领域中正在得到广泛应用，由于其材料组成成分的复杂性及其成型工艺方法的特殊性，材料内部的变形情况和损伤拓展与测试得到的表面变形及损伤情况通常会存在较大差异，在外载荷作用下的内部损伤的萌生与拓展是影响材料力学性能的关键性因素，而这些损伤通常难以从表面上观察到，因此不能直接用传统观测方法观测到的材料表面位移和应变场来评价其力学性能，为此需要发展出一种新型的三维全场变形测量技术。
在目前使用的实验力学方法中，具有良好适用性、实验设备简单、测量方便快捷的数字图像相关方法(Digital image correlation，DIC)是一种应用广泛的全场非接触式光学变形测量技术，在X射线计算机断层扫描等体成像技术快速发展的带动下，通过将数字图像相关方法由表面测量向内部测量推广，数字体相关(Digital volume correlation，DVC)方法近年来得到了迅速发展，它结合了光测力学方法的全场与非接触特性，以及CT技术等体成像手段能够透视材料内部的性质，使其在测量材料内部变形与损伤演化的可视化表征方面具有明显的优势。在DVC方法试验中，通过使用CT等体成像设备产生并接收的X射线等信号，可以用来观察到物体内部的分层、孔隙、裂纹、颗粒结构以及密度分布的详细情形，其获得的三维位移场和三维应变场数据也可以用来作为三维有限元分析的重要对照。
与DIC方法测量物体表面变形的过程相类似，DVC方法测量物体内部变形的过程也可以分为三个环节：(1)使用CT扫描成像设备对试验平台上未加载前以及受到不同外载荷作用而发生变形的被检测试样进行圆周扫描，对采集到的实验数据进行重建，得到试样变形前后的三维数字体图像；(2)跟踪检测变形前后的试样三维数字体图像中选定观测点的位置变化，将变形前后的三维数字体图像分别定义为参考图像和目标图像，利用以选定的各离散参考点为中心的子体块的灰度(密度)分布情况来确定变形前后的对应关系，使用局部或者全局位移测量算法依据这些选定的计算点在变形前后的三维数字体图像中的位置坐标进行运算，确定选定区域的三维位移场；(3)采用差分算法、拟合算法或微分算法等适当的数值方法从含有噪声信号的三维位移场中选取相应的位移矢量数据进行运算，最终得到所需的选定区域的三维应变场，实现使用DVC方法进行测量的目的。
在使用DVC方法对各种材料进行内部变形测试时，需要建立相关的专业化试验装置。一般而言，DVC方法试验装置从硬件上可以分为加载***和成像***两大组成部分，其运行由计算机上的相关操作软件进行控制。其中，成像***为用于无损检测领域的工业CT扫描成像设备，而加载***为可以与已有CT扫描成像设备配合使用，用于对被检测试样精确施加指定大小的拉伸载荷或压缩载荷的原位加载装置。
目前在无损检测领域中使用的新一代工业CT扫描成像设备大多具有封闭式的整体式金属外壳，以实现良好的射线屏蔽效果，被检测试样通过防护门安置于其内部的载物台上，在扫描过程中设备处于完全封闭状态。有鉴于此，用于DVC方法试验的原位加载装置必须拥有足够小的外形尺寸，以便安置进入CT扫描成像设备的内部，其在设计上也需要考虑到在试样处于保载状态的同时，可通过载物台带动试样和工作部件的组合体进行360度旋转。
发明内容
本发明的目的是：开发一种可用于DVC方法试验的微型加载装置，其在外形尺寸和结构形式上可与新一代工业CT扫描成像设备妥善配合，可满足对被检测试样连续、平稳、可控、精确地施加拉伸载荷和压缩载荷的要求。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种用于DVC方法试验的微型加载装置，所述微型加载装置包含：加载驱动机构、底部支撑机构、框架、传动轴7；所述加载驱动机构与底部支撑机构通过传动轴7同步旋转；
所述框架包含顶盖4、框架支柱5、底座22；所述顶盖4外缘与底座22外缘通过框架支柱5支撑；
所述加载驱动机构包括：滚珠丝杠组件、上部传动齿轮组6、中间传力支柱8、上部平台板9、中间平台板11、模具弹簧12、下部平台板13、上部夹具15；
所述滚珠丝杠组件由滚珠丝杠2和固定件组成；
所述滚珠丝杠2依次穿过顶盖4、上部传动齿轮组6的从动轮、上部平台板9、中间平台板11，并通过固定件与所述从动轮以及所述顶盖4中部固定；滚珠丝杠2顶端与中间平台板11固定；
所述中间传力支柱8通过中间平台板11连接上部平台板9和下部平台板13；中间传力支柱8与中间平台板11过盈装配；
所述上部平台板9、中间平台板11、下部平台板13三者中心轴线与加载装置中轴线重合；上部平台板9与中间平台板11之间、中间平台板11与下部平台板13之间均通过模具弹簧12连接；
所述下部平台板13底部中部固定有上部夹具15；
所述底部支撑机构包含：下部夹具17、载荷传感器19、下部传动齿轮组21；底座22；
所述下部传动齿轮组21固定在底座22上，下部传动齿轮组21中主动轮与载荷传感器19连接固定，其中主动轮中心固定在加载装置中轴线上；载荷传感器19上部中部固定下部夹具17。
所述滚珠丝杠组件中所述固定件中间为与滚珠丝杠2配合的轴承，所述固定件穿过顶盖4与上部传动齿轮组6的从动轮固定，固定件分别与顶盖4以及所述从动轮固定。所述固定件与顶盖4和上部传动齿轮组6的固定方式可以为螺栓、法兰、胶水或焊接中的任一种。
所述滚珠丝杠2顶端与中间平台板11通过平面轴承10固定。
优选地，所述下部平台板13底部中部通过上部夹具转接口14与上部夹具15固定。上部夹具转接口14用于匹配不同的夹具，提高适用性。
所述下部传动齿轮组21通过下部角接触球轴承20固定在底座22上。
优选地，所述载荷传感器19通过下部夹具转接口18与下部夹具17固定。下部夹具转接口18用于匹配不同的夹具，提高适用性。
所述上部传动齿轮组6与所述下部传动齿轮组21均由一只大直径齿轮和一只小直径齿轮组成，大直径齿轮中心轴线与加载装置中心轴线重合，小直径齿轮安装于加载装置侧面；在上部传动齿轮组6中，小直径齿轮为主动轮，大直径齿轮为从动轮；在下部传动齿轮组21中，大直径齿轮为主动轮，小直径齿轮为从动轮；所述传动轴7连接两个小直径齿轮。
优选地，所述顶盖4和底座22上分别开有定位槽，所述传动轴7两端端部分别定位于顶盖4、底座22上的定位槽内；所述定位槽为盲孔，分别开在顶盖4下部和底座22上部。
优选地，所述滚珠丝杠2末端有手轮或手柄，方便抓握施加载荷。
所述底座22的底部中部开有对接座圈23，目的与CT设备载物台上的三爪卡盘配合定位。
所述框架支柱5为承力件，优选地，框架支柱5数量为3或4个。
本发明的有益效果是：本发明提供的微型加载装置主要用于与采用圆周扫描模式的CT扫描成像设备配合进行试验，通过将加载装置的底部对接座圈23与CT扫描成像设备的载物台以三爪卡盘24固定，即可以通过载物台的旋转带动包括被检测试样16在内的各工作部件进行圆周运动，从而实现对处于受载状态下的被检测试样16的原位扫描成像，为运用DVC方法观察试样材料内部的三维变形场并研究材料的损伤拓展与破坏机制提供硬件基础。开放式的外部框架设计使得CT扫描成像设备的X射线发射装置25能够深入到加载装置内部，尽可能地贴近被检测试样进行照射，从而最大限度地提高获取的三维数字体图像的分辨率。
本发明中的微型加载装置具有良好的保载性能并可通过载荷传感器对载荷进行实时测量，并具备组成材料容易获取且各零部件容易加工和组装的优点。
本发明中的微型加载装置作为CT扫描成像设备的重要配套设备，在实验力学的非接触测量研究和材料的无损检测领域有着广泛的应用前景。。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的较佳实施案例的微型加载装置的总体结构示意图；
图2是本发明的较佳实施案例的微型加载装置的工作状态示意图；
图3是本发明的较佳实施案例的微型加载装置的加载驱动机构部分示意图；
图4是本发明的较佳实施案例的微型加载装置的被检测拉伸试样示意图；
图5是本发明的较佳实施案例的微型加载装置的底部对接座圈与配套使用的CT扫描成像设备的载物台上的三爪卡盘的连接方式示意图；
其中，1.手轮、2.滚珠丝杠、3.上部角接触球轴承、4.顶盖、5.框架支柱、6.上部传动齿轮组、7.传动轴、8.中间传力支柱、9.上部平台板、10.平面轴承、11.中间平台板、12.模具弹簧、13.下部平台板、14.上部夹具转接口、15.上部夹具、16.试样、17.下部夹具、18.下部夹具转接口、19.载荷传感器、20.下部角接触球轴承、21.下部传动齿轮组、22.底座、23.底部对接座圈24.CT设备载物台三爪卡盘、25.CT设备X射线发射装置、26.CT设备X射线接收装置、27.丝杠固定件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
如图1所示，本实施案例的微型加载装置包含手轮1、滚珠丝杠及其固定件2、上部角接触球轴承3、顶盖4、框架支柱5、上部传动齿轮组6、传动轴7、中间传力支柱8、加载驱动机构上部平台板9、平面轴承10、加载驱动机构中间平台板11、模具弹簧12、加载驱动机构下部平台板13、上部夹具转接口14、上部夹具15、下部夹具17、下部夹具转接口18、载荷传感器19、下部角接触球轴承20、下部传动齿轮组21、底座22和底部对接座圈23等部件。其中，上部角接触球轴承3的外圈固定于顶盖4上，内圈与滚珠丝杆附属的固定件2相连接，下部角接触球轴承20的外圈固定于底座22上，内圈与底部对接座圈23相连接；滚珠丝杠2上端与手轮1相连接，下端穿过加载驱动机构上部平台板9中心的大直径圆孔，和平面轴承10内圈相连接，其固定件部分与上部传动齿轮组6相连接；加载驱动机构中间平台板11的中心部位与平面轴承10外圈相连接，其上表面经由模具弹簧12与加载驱动机构上部平台板9相连接，下表面经由模具弹簧12与加载驱动机构下部平台板13相连接；中间传力支柱8的中心部位穿过加载驱动机构中间平台板11上分布的间隙配合孔，其上端与加载驱动机构上部平台板9相连接，下端与加载驱动机构下部平台板13相连接，加载驱动机构下部平台板13的下表面与上部夹具转接口14相连接；载荷传感器19的上端与下部夹具转接口18相连接，下端与下部角接触球轴承20内圈相连接；下部传动齿轮组21与载荷传感器19下端相连接，并通过传动轴7的作用与上部传动齿轮组6达到同步旋转；上部夹具转接口14的下端与上部夹具15相连接，下部夹具转接口18的上端与下部夹具17相连接，其下端与载荷传感器19上端相连接；上部夹具15与下部夹具17用于夹持和固定被检测试样16，当转动手轮1使滚珠丝杠2带动加载驱动机构中间平台板11发生上下位移时，由模具弹簧12发生形变而产生的拉伸载荷或压缩载荷将通过上部夹具15与下部夹具17的作用传递到被检测试样16上；框架支柱5的上端与顶盖4相连接，下端与底座22相连接，突出于底座22下表面的部分作为加载装置的支脚。
其中中间传力支柱8和所述模具弹簧12均采用环绕滚珠丝杆2的圆周布置模式，并与所述加载驱动机构上部平台板9、所述加载驱动机构中间平台板11和所述加载驱动机构下部平台板13相连接。
本实施例的微型加载装置与采用圆周扫描模式且带有可旋转式载物台的CT扫描成像设备配合使用，用于对处于不同受载状态下的被检测试样进行原位扫描成像，获取包含有试样材料内部变形场信息的三维数字体图像。
本实施例的微型加载装置中的上部夹具15和下部夹具17可以用于固定被检测试样16，夹具与试样构成的组合体通过上部夹具转接口14和下部夹具转接口18连接到加载装置中；当转动手轮1带动滚珠丝杠2上下运动时，通过平面轴承10与滚珠丝杠2下端相连接的加载驱动机构中间平台板11也随之上下运动，从而使布置于加载驱动机构中的模具弹簧12发生拉伸或压缩变形，为被检测试样精确施加规定方向和大小的载荷，并通过载荷传感器19进行实时监测，而平面轴承10的存在则可用来消除滚珠丝杠2转动时带来的扭转载荷干扰；
其中，模具弹簧12的状态变化过程具体为：当加载驱动机构用于产生拉伸载荷时，连接加载驱动机构上部平台板9和加载驱动机构中间平台板11的模具弹簧12处于压缩状态，连接加载驱动机构中间平台板11和加载驱动机构下部平台板13的模具弹簧12处于拉伸状态；当加载驱动机构用于产生压缩载荷时，连接加载驱动机构上部平台板9和加载驱动机构中间平台板11的模具弹簧12处于拉伸状态，连接加载驱动机构中间平台板11和加载驱动机构下部平台板13的模具弹簧12处于压缩状态。
加载装置中的主要工作部件与其外部框架结构之间由上部角接触球轴承3和下部角接触球轴承20连接，可以在CT扫描成像设备的载物台带动下绕中轴线进行旋转，通过固定于上下两端的上部传动齿轮组6、下部传动齿轮组21和传动轴7的配合运动，可以确保试样上下两侧的工作部件实现同步旋转，以消除可能存在的扭转载荷干扰；通过将加载装置的底部对接座圈23与CT扫描成像设备的载物台以三爪卡盘24固定，即可以通过载物台的旋转带动包括被检测试样16在内的各工作部件进行圆周运动，从而实现对处于受载状态下的被检测试样的原位扫描成像。图2至图5分别示出了微型加载装置的工作时接受X射线照射的状态、加载驱动机构部分的详细结构、被检测试样16和底部对接座圈23与配套使用的CT扫描成像设备的载物台上的三爪卡盘24的连接方式。
在本实施案例中，框架支柱5与顶盖4和底座22共同构成了整个微型加载装置的外部承力结构，该结构设计使得微型加载装置的侧面具有较大的开口，从而允许CT扫描成像设备的X射线发射装置25能够深入到加载装置内部，尽可能地贴近被检测试样16进行照射，并通过X射线接收装置26收集信号，从而最大限度地提高获取的三维数字体图像的分辨率，如图2所示，通过对被检测试样16在不同受载状态下的三维数字体图像进行分析运算，即可进一步获取其三维位移场数据和三维应变场数据。当携带有被检测试样16的微型加载装置放置于CT扫描成像设备内部进行圆周扫描时，安装于顶部的手轮1必须停止转动，此时微型加载装置处于保载状态。
以上内容详细地展示了本发明的较佳实施案例。应当理解，本领域的普通技术无需进行创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡是本技术领域中的技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限实验可以得到的相关技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于，所述用于DVC方法试验的微型加载装置包含：加载驱动机构、底部支撑机构、框架、传动轴(7)；所述加载驱动机构与底部支撑机构通过传动轴(7)同步旋转；
所述框架包含顶盖(4)、框架支柱(5)、底座(22)；所述顶盖(4)外缘与底座(22)外缘通过框架支柱(5)支撑；
所述加载驱动机构包括：滚珠丝杠组件、上部传动齿轮组(6)、中间传力支柱(8)、上部平台板(9)、中间平台板(11)、模具弹簧(12)、下部平台板(13)、上部夹具(15)；
所述滚珠丝杠组件由滚珠丝杠(2)和固定件组成；
所述滚珠丝杠(2)依次穿过顶盖(4)、上部传动齿轮组(6)的从动轮、上部平台板(9)、中间平台板(11)，并通过固定件与所述从动轮以及所述顶盖(4)中部固定；滚珠丝杠(2)顶端与中间平台板(11)固定；
所述中间传力支柱(8)通过中间平台板(11)连接上部平台板(9)和下部平台板(13)；中间传力支柱(8)与中间平台板(11)过盈装配；
所述上部平台板(9)、中间平台板(11)、下部平台板(13)三者中心轴线与加载装置中轴线重合；上部平台板(9)与中间平台板(11)之间、中间平台板(11)与下部平台板(13)之间均通过模具弹簧(12)连接；
所述下部平台板(13)底部中部固定有上部夹具(15)；
所述底部支撑机构包含：下部夹具(17)、载荷传感器(19)、下部传动齿轮组(21)；底座(22)；
所述下部传动齿轮组(21)固定在底座(22)上，下部传动齿轮组(21)中主动轮与载荷传感器(19)连接固定，其中主动轮中心固定在加载装置中轴线上；载荷传感器(19)上部中部固定下部夹具(17)；
所述滚珠丝杠组件中所述固定件中间为与滚珠丝杠(2)配合的轴承，所述固定件穿过顶盖(4)与上部传动齿轮组(6)的从动轮固定，固定件分别与顶盖(4)以及所述从动轮固定；
所述上部传动齿轮组(6)与所述下部传动齿轮组(21)均由一只大直径齿轮和一只小直径齿轮组成，大直径齿轮中心轴线与加载装置中心轴线重合，小直径齿轮安装于加载装置侧面；在上部传动齿轮组(6)中，小直径齿轮为主动轮，大直径齿轮为从动轮；在下部传动齿轮组(21)中，大直径齿轮为主动轮，小直径齿轮为从动轮；所述传动轴(7)连接两个小直径齿轮；
所述顶盖(4)和底座(22)上分别开有定位槽，所述传动轴(7)两端端部分别定位于顶盖(4)、底座(22)上的定位槽内；所述定位槽为盲孔，分别开在顶盖(4)下部和底座(22)上部；
所述滚珠丝杠(2)末端有手轮或手柄；
所述模具弹簧的状态变化过程具体为：当加载驱动机构用于产生拉伸载荷时，连接加载驱动机构上部平台板和加载驱动机构中间平台板的模具弹簧处于压缩状态，连接加载驱动机构中间平台板和加载驱动机构下部平台板的模具弹簧处于拉伸状态；当加载驱动机构用于产生压缩载荷时，连接加载驱动机构上部平台板和加载驱动机构中间平台板的模具弹簧处于拉伸状态，连接加载驱动机构中间平台板和加载驱动机构下部平台板的模具弹簧处于压缩状态。
2.根据权利要求1所述的用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于：所述滚珠丝杠(2)顶端与中间平台板(11)通过平面轴承(10)固定。
3.根据权利要求1所述的用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于：所述下部平台板(13)底部中部通过上部夹具转接口(14)与上部夹具(15)固定。
4.根据权利要求1所述的用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于：下部传动齿轮组(21)通过下部角接触球轴承(20)固定在底座(22)上。
5.根据权利要求1所述的用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于：所述载荷传感器(19)通过下部夹具转接口(18)与下部夹具(17)固定。
6.根据权利要求1所述的用于DVC方法试验的微型加载装置，其特征在于：所述底座(22)的底部中部开有对接座圈(23)。
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