Устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии и способ его использования Российский патент 2021 года по МПК G01N23/46 

Изобретение относится к устройству для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии и способу его использования. Заявленное техническое решение предназначено для получения информации о структуре, механических свойствах неоднородных материалов и образцов, при проведении деформирования под действием одноосного сжатия, с помощью рентгеновских излучений. Заявленное техническое решение реализовано на базе программного обеспечения, позволяющего исследовать свойства материалов при осевой нагрузке в любом возможном временном интервале и при любых значениях вертикальных нагрузок у неоднородных материалов и образцов.

В настоящее время широким распространением в промышленности является разработка новых материалов, характеризующихся сложной архитектурой микроструктуры [Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И., Кротова Е.В. Разработка методики определения стойкости к ударным воздействиям деталей летательных аппаратов из композитов с сотовым заполнителем //Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 111-125. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44071524] [1]. При этом необходимость исследования данных о характере распределения макроскопических физико-механических свойств с применением неразрушающего контроля у исследуемого материала становится весьма актуальной.

На дату представления заявочных материалов, одним из наиболее информативных методов неразрушающего контроля является рентгеновская компьютерная томография (РКТ). Во-первых, рентгеновская компьютерная томография дает объемную информацию об образце, а во-вторых, нормализованный коэффициент рентгеновского излучения (шкала Хаунсфилда) коррелируют с плотностью исследуемого материла, что позволяет проводить численные физико-механические эксперименты на основе данных рентгеновской компьютерной томографии [Митряйкин В.И., Зайцева Т.А. Исследование плотности и пористости аддитивных материалов с применением спиральной компьютерной томографии // Вестник НЦБЖД. 2020. № 3 (45). С. 167-174] [2]. Применение рентгеновской компьютерной томографии позволяет локализовать внутренние дефекты и рассчитать пористость.

Проблема данных материалов заключается в определении внутренних свойств образца в процессе деформировании. Неоднородные и композитные материалы имеют свойство разрушаться во внутренней области, что ведет к изменению эффективной жесткости и прочности. Так, на примере полимерного композитного материала с укладкой нитей из углепластика можно убедиться, что разрушение нитей внутри композита ведет к ухудшению общих физико-механических свойств материала, а в дальнейшем и к полному его разрушению [Паймушин В.Н., Холмогоров С.А., Макаров М.В., Бадриев И.Б. Численные исследования микро-, мезо- и макромасштабных плоских внутренних форм потери устойчивости элементов волокнистых композитов со структурой [±45]s в условиях растяжения и сжатия / Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXIV международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. 2018. С. 177-179] [3].

Данный процесс можно воспроизвести «прямым моделированием» с помощью конечно-элементных пакетов (решений), однако такой подход обладает большой трудоемкостью и большими вычислительными затратами, что приводит к длительным расчетам и повышает требования к вычислительной мощности электронной вычислительной машины (ЭВМ) [Паймушин В.Н., Холмогоров С.А., Макаров М.В., Бадриев И.Б. Численные исследования микро-, мезо- и макромасштабных плоских внутренних форм потери устойчивости элементов волокнистых композитов со структурой [±45]s в условиях растяжения и сжатия / Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXIV международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. 2018. С. 177-179] [3].

Другой популярный способ моделирования основан на гомогенизации среды и последующем моделировании. Минус такого подхода – невозможность точной локализации области разрушения внутри исследуемого объекта и определения причины разрушения, а именно – наступило ли разрушение связующей, составляющей или матрицы композита соответственно [Паймушин В.Н., Каюмов Р.А., Шакирзянов Ф.Р., Холмогоров С.А., О специфике работы композитного несущего слоя трехслойной пластины при локальном нагружении // Математическое моделирование в естественных науках. Тезисы XXIX Всероссийской школы-конференции. 2020. С. 165] [4]. Отдельно можно выделить задачу моделирования напряженно-деформированного состояния пористых и многофазных сред.

Подходы к таким задачам также можно разделить на прямые и гомогенизированные.

При анализе структуры с применением рентгеновской компьютерной томографии используются результаты сканирования РКТ, а именно – числа Хаунсфилда. Зная количество и типы материалов, по данным РКТ производится задача сегментации, то есть определяются диапазоны чисел Хаунсфилда, которые характеризуют конкретный материал.

Замыкая такие множества, можно получить объемы исследуемых тел. Для последующего анализа такого рода данных используется метод представительных элементов.

При таком подходе вся исследуемая область дискретизируется на набор представительных элементов.

В последующем для каждого элемента определяются характерные физико-механические свойства (плотность, пористость, тензор структуры, тензор упругих констант и т.д.).

Чаще всего для этого используются численные эксперименты. Определив для каждого представительного элемента его физико-механические свойства, их можно интерполировать на все тело, получив таким образом функцию физико-механических свойств от координаты внутри образца [Eggermont F., Derikx L.C., Free J., van Leeuwen R., van der Linden Y.M., Verdonschot N., Tanck E. Effect of different CT scanners and settings on femoral failure loads calculated by finite element models // Journal of Orthopaedic Research. – 2018. – Vol. 36, iss. 8. – P. 2288–2295] [5], [Eggermont F., Derikx L.C., Verdonschot N., Van Der Geest I.C.M., De Jong M.A.A., Snyers A., Van Der Linden Y.M., Tanck E. Can patient-specific finite element models better predict fractures inmetastatic bone disease than experienced clinicians // Bone and Joint Research. – 2018. – Vol. 7, iss. 6. –P. 430–439] [6], [Giovannelli L., Rodenas J.J., Navarro-Jimenez J.M., Tur M. Direct medical image-based Finite Element modelling for patient-specific simulation of future implants // Finite Elements in Analysis and Design. – 2017. – Vol. 136. – P. 37–57] [7].

Но такие исследования производятся без нагружения образца, что не дает исчерпывающей информации о физико-механических свойствах.

Заявленное техническое решение позволяет исследовать изменение внутренней структуры образца, равно как и его физико-механические свойства в процессе нагружения. Подобная методика в итоге позволит получить функциональную зависимость физико-механических свойств от координаты внутри образца и от внешней нагрузки.

Сложность реализации таких измерений заключается в одновременном обеспечении необходимой жесткости и прочности оснастки, обеспечивающей нагружение образца, и ее «прозрачности» для РКТ. Для получения более точных данных о структуре (более точного анализа структуры) при использовании рентгеновского излучения необходимо определить исследуемую зону и обеспечить, чтобы данная зона не была закрыта более плотным материалом. Наиболее предпочтительно, чтобы исследуемая зона оставалась полностью открытой. При несоблюдении вышеуказанных требований информация о структуре объекта будет содержать множество артефактов, которые оказываются причиной засвета участков исследуемой области и, как следствие, приведет к искажению получаемых результатов.

Использование рентгеновского излучения для исследования внутренней структуры материалов или образцов широко описано в уровне техники (см. например, [1-7]).

Также известны аналоги заявленного изобретения – RU2719276, RU2714515, RU157585, CN108195671.

Общими недостатками приведенных выше известных технических решений являются:

– сложность конструкции (CN108195671, RU2714515, RU157585);

– отсутствие методики обработки данных КТ (CN108195671, RU2714515);

– исследуемая область закрыта обечайкой, каким бы либо материалом или же частично закрыта, что препятствует исследованию образца (CN108195671, RU2714515, RU157585);

– предназначенность только на исследование поверхности, а не структуры (RU2719276, RU2714515).

При этом в отношении изобретения по патенту RU2719276 известный способ позволяет восстановить геометрические данные о нагруженной поверхности, но не позволяет производить структурный и механический анализ в объеме образца.

В отношении изобретения по патенту RU2714515 устройство позволяет визуализировать деформированное состояние поверхности материала в области упругих деформаций, но не позволяет производить структурный и механический анализ в объеме образца. Приведенный способ ориентирован исключительно на восстановление 3Д изображения.

В отношении изобретения по патенту RU157585 известный способ позволяет оценивать изменения внутренней структуры образца, при этом изменение структуры оценивается изменением плотности материала в исследуемой зоне или сечении, но не позволяет оценивать механические свойства, что существенно сужает область применения по назначению по сравнению с заявленным техническим решением.

В отношении изобретения по патенту CN108195671 – известный способ позволяет оценивать изменения внутренней структуры образца, но явно не позволяет оценивать механические свойства, являющиеся предметом для заказчика по заявленному техническому решению, которое определяет исчерпывающий перечень параметров, под который и разработаны ряд программных продуктов. Указанные недостатки известного изобретения существенно сужают область применения по назначению по сравнению с заявленным техническим решением, т.к. в описательной части известного изобретения не представлена информация о том, что собственно подразумевается под внутренней структурой образца – плотность, пористость, поле перемещений, деформаций, тензор структуры или упругих констант или иные не идентифицированные как таковые параметры. Общность изложения измерения внутренней структуры не позволяет оценить область конкретной применимости известного изобретения в практических исследованиях для конкретного заказчика При этом в текстовой части описания указано что «…До сих пор специалисты в данной области техники должны понимать, что, хотя несколько примерных вариантов осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы и подробно описаны здесь, они все же могут быть раскрыты в соответствии с настоящим изобретением без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Контент непосредственно определяет или порождает множество других вариаций или модификаций, которые соответствуют принципам настоящего изобретения. Следовательно, следует понимать объем настоящего изобретения и считать, что он охватывает все эти другие варианты или модификации». Основываясь на вышеизложенном представляется возможность сделать логический вывод о том, что известное техническое решение направлено на охват областей техники, которые не возможно идентифицировать в принципе, доказательством этого является часть приведенной цитаты «Следовательно, следует понимать объем настоящего изобретения и считать, что он охватывает все эти другие варианты или модификации». Таким образом, имеет место быть попытка необоснованно расширить объем патентных притязаний (т.е. имеет место быть попытка охватить все другие варианты и модификации, которые не могут быть однозначно идентифицированы).

Основываясь на изложенном выше анализе уровня техники на дату представления заявленных материалов представляется возможным сделать следующие выводы.

Принципиальным отличием заявленного технического решения от всех известных аналогов является то, что исследуемый объект является максимально открытым для рентгеновского излучения, что повышает качество съемки и, как следствие, качество результатов. Заявленное техническое решение позволяет производить количественную и качественную оценку комплекса свойств, требующихся заказчику, а именно – пористость, плотность, тензор структуры, тензор упругих констант нагружаемого образца по всему объему образца и при заданных заказчиком нагрузках на реально исследуемый объект в режиме реального времени.

Кроме указанного, к плюсам заявленного технического решения следует также отнести и то, что заявленное устройство, за исключением верхней и нижней крышек соответственно, состоит из стандартно выпускаемых изделий, что обеспечивает возможность запускать устройство в серию.

Техническим результатом заявленного технического решения является получение комплекса данных о физико-механических свойствах (плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант) во всем объеме исследуемого натурного образца, при заданной внешней сжимающей осевой силе, действующей на исследуемый образец, и известном поле перемещений верхнего торца. В последующем, после съемки, производится пересчет поля перемещений для внутренней структуры реального объекта заказчика посредством использования оригинального комплекса программного обеспечения.

Сущностью заявленного технического решения является устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии, содержащее крышку верхнюю, крышку нижнюю, четыре шпильки, динамометр, исследуемый образец с координатной сеткой или тензодатчиками, четыре гайки, четыре гайки самостопорящихся, четыре гайки контрящих, центровочную шайбу, четыре гайки для передачи усилия, четыре шайбы, компьютерный томограф, включающий в себя: патрон, приемник рентгеновского излучения, излучатель рентгеновского излучения, компьютер с установленным программным комплексом; при этом четыре шпильки, на которые предварительно закручены гайки, установлены на внутренней части нижней крышки, внешняя часть нижней крышки зафиксирована четырьмя гайками самостопорящимися, которые затем законтрены гайками контрящими, при этом нижний торец шпилек не заходит за плоскость торца патрона компьютерного томографа, при этом исследуемый образец помещен на нижнюю крышку, сверху на исследуемый образец установлен динамометр, между верхней крышкой и динамометром установлена центровочная шайба, при этом динамометр поджат верхней крышкой, при этом на свободные поверхности исследуемого образца предварительно размещены координатная сетка или тензодатчики с возможностью определения поля перемещений исследуемого образца, над верхней крышкой на шпильки установлены четыре шайбы и четыре гайки для передачи усилия с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; при этом нижняя крышка вставлена в патрон компьютерного томографа таким образом, чтобы исследуемый образец был расположен между приемником рентгеновского излучения и излучателем рентгеновского излучения, при этом компьютерный томограф снабжен компьютером с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца. Способ использования устройства по п.1, заключающийся в том, что для зафиксированного в заявленном устройстве исследуемого образца отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра и перемещений, производят контроль позиционирования исследуемой зоны и установку исследуемого образца таким образом, чтобы исследуемая зона находилась в поле сканирования приемника рентгеновского излучения и излучателя рентгеновского излучения; производят сканирование исследуемого образца компьютерным томографом, для чего компьютерный томограф подает излучение на излучатель рентгеновского излучения, которое проходит через исследуемый образец и попадает на приемник рентгеновского излучения, далее определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения, которые далее передают в компьютер для дальнейшей обработки; далее производят последовательную затяжку четырех гаек для передачи усилия для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы, после затяжки всех четырех гаек для передачи усилия определяют перемещение верхней крышки и показания динамометра, и производят сканирование исследуемого образца, оценивают прикладываемую сжимающую осевую силу; далее, в зависимости от поставленной задачи, либо прекращают испытания, либо возвращаются на шаг последовательной затяжки четырех гаек для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; при этом далее при необходимости повторно неоднократно возвращаются на шаг последовательной затяжки четырех гаек для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; в результате получают данные о перемещении верхней поверхности образца, данные о прикладываемой сжимающей осевой силе и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца; с помощью программного комплекса на основе данных компьютерной томографии определяют сетку представительных объемов, для назначенной сетки представительных объемов происходит автоматизированное определение эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема, далее для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг1 – Фиг.9.

На Фиг. 1 представлен сборочный чертеж устройства для испытаний, где 1а – вид спереди, 1б – вид сбоку.

На Фиг. 2 представлена схема сборки нижней крышки 2 (увеличено).

На Фиг. 3 представлена схема заявленного устройства в целом.

Позиции на Фиг.1 – Фиг.3 обозначают:

1 - крышка верхняя,

2 - крышка нижняя,

3 - шпилька (4 шт.),

4 - динамометр,

5 - исследуемый образец с координатной сеткой или тензодатчиками,

6 - гайка (4 шт.),

7 - гайка самостопорящаяся (4 шт.),

8 - гайка контрящая (4 шт.),

9 - центровочная шайба,

10 - гайка для передачи усилия (4 шт.),

11 - шайба (4 шт.),

12 - патрон компьютерного томографа,

13 - приемник рентгеновского излучения компьютерного томографа,

14- излучатель рентгеновского излучения компьютерного томографа,

15 – компьютер компьютерного томографа,

h – контролируемое монтажное расстояние.

Компьютерный томограф в целом на Фиг. не указан.

На Фиг. 4 представлен пример графика распределения коэффициентов ослабления рентгеновского излучения в числах Хаунсфилда, где 4а – вид сбоку до воздействия сжимающей осевой силы, 4б – изометрический вид до воздействия сжимающей осевой силы, 4в – изометрический вид после воздействия сжимающей осевой силы.

На Фиг. 5 представлены данные о перемещении координатной сетки, где 5а – до воздействия сжимающей осевой силы, 5б – после воздействия сжимающей осевой силы.

На Фиг. 6 представлены результаты измерения плотности, пористости, тензора структуры и тензора упругих констант при однократном воздействии сжимающей осевой силы.

На Фиг. 7 представлены срезы компьютерной томографии исследуемого образца при двукратном воздействии сжимающей осевой силы, где: 7а – до воздействия сжимающей осевой силы, 7б – после первого воздействия сжимающей осевой силы, 7в – после второго воздействия сжимающей осевой силы.

На Фиг. 8 представлены результаты измерения плотности, пористости, тензора структуры и тензора упругих констант при двукратном воздействии сжимающей осевой силы.

На Фиг. 9 представлена Таблица сопоставительного анализа признаков заявленного технического решения с признаками аналогов для облегчения проведения экспертизы по существу.

Далее заявителем приведено детализированное описание реального поэтапного использования заявленного технического решения в промышленности. На начальном шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы данные об объеме сканированного реального образца диксретизируется на набор представительных объемов. Для каждого представительного объема формируются его деформированное состояние для каждого момента действия сжимающей осевой силы: поля векторов перемещений и тензора деформаций. Для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, для каждого момента действия сжимающей осевой силы, определяются: плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант.

Таким образом, для исследуемого образца формируется набор данных о плотности, пористости, тензоре структуры и тензоре упругих констант, распределенных по объему образца в зависимости от величины сжимающей осевой силы. Реализация определения этих данных производится с помощью оригинального программного комплекса, разработанного на основе созданных ранее программ ЭВМ, принадлежащих заявителю: свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ № 2019664273, № 2019664273.

Далее заявителем приведено осуществление заявленного технического решения.

Заявленное устройство содержит следующие составные части (Фиг.1 – Фиг.3): крышка верхняя (1), крышка нижняя (2), четыре шпильки (3), динамометр (4), исследуемый образец (5) с координатной сеткой или тензодатчиками (на Фиг. не указаны), четыре гайки (6), четыре гайки самостопорящихся (7), четыре гайки контрящих (8), центровочная шайба (9), четыре гайки для передачи усилия (10), четыре шайбы (11), компьютерный томограф (на Фиг. не указан), включающий в себя: патрон (12), приемник рентгеновского излучения (13), излучатель рентгеновского излучения (14), компьютер с установленным программным комплексом (15).

При этом четыре шпильки (3), на которые предварительно закручены гайки (6), установлены на внутренней части нижней крышке (2). Внешняя часть нижней крышки (2) зафиксирована четырьмя самостопорящимися гайками (7), которые затем законтрены гайками контрящими (8). При этом нижний торец шпилек (3) не заходит за плоскость торца патрона компьютерного томографа (12) – расстояние h находится в интервале 1-5 мм (Фиг.2). При этом исследуемый образец (5) помещен на нижнюю крышку (2), сверху на исследуемый образец (5) установлен динамометр (4). Между верхней крышкой (1) и динамометром (4) установлена центровочная шайба (9), при этом динамометр поджат верхней крышкой (1). На свободные поверхности исследуемого образца (5) предварительно размещены, например, приклеиванием, координатная сетка или тензодатчики (на Фиг. не указаны) для определения поля перемещений исследуемого образца. Над верхней крышкой (1) на шпильки (3) установлены четыре шайбы (11) и четыре гайки для передачи усилия (10) с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы.

При этом нижняя крышка (2) вставлена в патрон компьютерного томографа (12), например, сболчиванием, таким образом, чтобы исследуемый образец (5) был расположен между приемником рентгеновского излучения (13) и излучателем рентгеновского излучения (14). Компьютерный томограф снабжен компьютером (15) с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца.

Заявленное устройство собирают следующим образом.

На внутренней части нижней крышке (2) устанавливают четыре шпильки (3), на которые предварительно закручивают гайки (6). Внешнюю часть нижней крышки (2) фиксируют четырьмя самостопорящимися гайками (7), которые затем контрят гайками контрящими (8). При этом нижний торец шпилек (3) не должен заходить за плоскость торца патрона компьютерного томографа (12) - расстояние h должно находится в интервале 1-5 мм (Фиг.2). Исследуемый образец (5) помещают на нижнюю крышку (2), сверху на исследуемый образец (5) устанавливают динамометр (4). Между верхней крышкой (1) и динамометром (4) устанавливают центровочную шайбу (9), при этом динамометр поджимают верхней крышкой (1). На свободные поверхности исследуемого образца (5) предварительно размещают, например, приклеиванием, тензодатчики или координатную сетку для определения поля перемещений исследуемого образца (на Фиг. не указаны). Над верхней крышкой (1) на шпильки (3) устанавливают четыре шайбы (11) и четыре гайки для передачи усилия (10) с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы.

Нижнюю крышку (2) вставляют в патрон компьютерного томографа (12), например, сболчиванием, таким образом, чтобы исследуемый образец (5) был расположен между приемником рентгеновского излучения (13) и излучателем рентгеновского излучения (14). Компьютерный томограф снабжен компьютером (15) с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца.

Для реализации заявленного способа выполняется следующая исчерпывающая последовательность действий, начиная со сборки заявленного устройства с образцом для исследования:

1. Проводят сборку заявленного устройства с исследуемым образцом (5) в соответствии с описанием, приведенным выше.

2. Для зафиксированного в заявленном устройстве исследуемого образца (5) отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра (4) и перемещений.

3. Производят контроль позиционирования исследуемой зоны и установку исследуемого образца (5) таким образом, чтобы исследуемая зона находилась в поле сканирования приемника рентгеновского излучения (13) и излучателя рентгеновского излучения (14).

4. Производят сканирование исследуемого образца компьютерным томографом, для чего компьютерный томограф подает излучение на излучатель рентгеновского излучения (14), которое проходит через исследуемый образец и попадает на приемник рентгеновского излучения (13). Далее определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения, которые далее передают в компьютер (15) для дальнейшей обработки.

5. Далее производят последовательную затяжку четырех гаек для передачи усилия (10) для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы.

6. После затяжки всех четырех гаек для передачи усилия (10) определяют перемещение верхней крышки (1) и показания динамометра (4), и производят сканирование исследуемого образца по пункту 4.

7. Оценивают прикладываемую сжимающую осевую силу, и далее либо прекращают испытания, либо возвращаются на шаг 5 (в зависимости от поставленной задачи). При этом далее при необходимости повторно неоднократно возвращаются на шаг 5.

8. В результате получают данные о перемещении верхней поверхности образца, данные о прикладываемой сжимающей осевой силе и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца.

9. С помощью программного комплекса на основе данных компьютерной томографии определяют сетку представительных объемов.

10. Для назначенной сетки представительных объемов происходит автоматизированное определение эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема.

11. Для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант. В результате получают данные о распределении по объему комплекса физико-механических свойств (плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант) в зависимости от величины сжимающей осевой силы, действующей на исследуемый образец.

Шаги с 9 по 11 производят с помощью оригинального программного комплекса, разработанного на основе созданных ранее программ ЭВМ: свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ № 2019664273, № 2019664273.

Далее заявителем приведен примеры осуществления заявленного технического решения.

Пример 1. Осуществление заявленного технического решения с использованием координатной сетки.

Вначале собирают заявленное устройство с исследуемым образцом – например, бруском размерами, например, 750 мм на 25 мм на 25 мм, например, отлитым из универсального полиуретанового пластика белого цвета Lasilcast 12.

Для этого на внутренней части нижней крышке (2) устанавливают четыре шпильки (3), на которые предварительно закручивают гайки (6). Внешнюю часть нижней крышки (2) фиксируют четырьмя гайками самостопорящимися (7), которые затем контрят гайками контрящими (8). При этом нижний торец шпилек (3) не должен заходить за плоскость торца патрона компьютерного томографа (12) - расстояние h должно находится в интервале 1-5 мм (Фиг.2). Исследуемый образец (5) помещают на нижнюю крышку (2), сверху на исследуемый образец (5) устанавливают динамометр (4), например динамометр системы Токаря №. С1932. Между верхней крышкой (1) и динамометром (4) устанавливают центровочную шайбу (9), при этом динамометр поджимают верхней крышкой (1). На свободные поверхности исследуемого образца (5) предварительно размещают координатную сетку, например, приклеиванием, для определения поля перемещений исследуемого образца (на Фиг. не указаны). Над верхней крышкой (1) на шпильки (3) устанавливают четыре шайбы (11) и четыре гайки для передачи усилия (10) с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы.

Нижнюю крышку (2) вставляют в патрон (12) компьютерного томографа, (например, микро-/нанофокусная система рентгеновского контроля для компьютерной томографии и система 2D инспекции Phoenix V|tome|X S240), например, сболчиванием, таким образом, чтобы исследуемый образец (5) был расположен между приемником рентгеновского излучения (13) и излучателем рентгеновского излучения (14), например, таким образом, чтобы габариты исследуемого образца были в зоне 30 мм от краев приемника (13) и излучателя (14). Компьютерный томограф (на Фиг. не указан) снабжен компьютером (15) с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца.

Далее отмечают нулевую линию нагрузки (например, величина нагрузки до 5 Н на динамометре) и перемещений (например, величина перемещений верхней крышки (1) до 0,5 мм).

Производят сканирование компьютерным томографом исследуемого образца, для чего компьютерный томограф подает излучение, например, при ускоряющем напряжении 90-100 кВ и токе 140-150 мА, на излучатель рентгеновского излучения (14), которое проходит через исследуемый образец и попадает на приемник рентгеновского излучения (13). На основании этого определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения, которые, например, выражаются в числах Хаунсфилда, которые подают в компьютер (15) для дальнейшей обработки. Пример графика распределения коэффициентов ослабления рентгеновского излучения в числах Хаунсфилда приведен на Фиг. 4.

Далее производят последовательную затяжку четырех гаек для передачи усилия (10) для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы, например, в 6886 Н. После затяжки всех четырех гаек для передачи усилия (10) определяют перемещение верхней крышки (1) и показания динамометра (4), например, величина перемещений равна 2.1 мм. и сжимающая осевая сила равна 6886 Н, и производят сканирование исследуемого образца.

После чего испытание прекращают ввиду достижения поставленной задачи.

В результате получены данные о перемещении верхней поверхности образца, данные о прикладываемой сжимающей осевой силе и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца.

С помощью программного комплекса на основе данных компьютерной томографии определяют координатную сетку ее перемещения (Фиг. 5) и сетку представительных объемов.

Для назначенной сетки представительных объемов определяют эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема (Фиг. 6).

Для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы, определяют плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант. (Фиг. 6).

Таким образом, получают данные о распределении по объему комплекса физико-механических свойств (плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант) в зависимости от величины сжимающей осевой силы, действующей на исследуемый образец.

Пример 2. Осуществление заявленного технического решения с использованием тензодатчиков и с возвращением на шаг последовательной затяжки четырех гаек для передачи усилия для обеспечения сжимающей осевой силы.

Проводят действия по Примеру 1, отличающиеся тем, что:

– вместо координатной сетки на исследуемый образец устанавливают тензодатчики, например, приклеиванием;

– производят двукратные действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы, например, в 6886 Н и 9721 Н, путем двукратной последовательной затяжки четырех гаек для передачи усилия (10) с последующим определением перемещения верхней крышки (1) и показания динамометра (4) и проведения сканирования исследуемого образца.

На Фиг. 7 приведены срезы компьютерной томографии представительного объема исследуемого образца при двукратном воздействии, где 7а – до воздействия сжимающей осевой силы, 7б – после первого воздействия сжимающей осевой силы, 7в – после второго воздействия сжимающей осевой силы. На изображениях видна пористая структуры исследуемого образца.

Величины перемещения верхней поверхности образца, сжимающей осевой силы, эпюры перемещений, тензора деформации, плотности, пористости, тензора структуры, тензора упругих констант по Примеру 2 приведены на Фиг. 8.

Таким образом, на основе изложенного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно: получен комплекс данных о физико-механических свойствах (плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант) во всем объеме исследуемого натурного образца, при заданной внешней сжимающей осевой силе, действующей на исследуемый образец, и известном поле перемещений верхнего торца. В последующем, после съемки, произведен пересчет поля перемещений для внутренней структуры реального объекта заказчика посредством использования оригинального комплекса программного обеспечения.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного уровня техники заявителем не выявлены технические решения, обладающие заявленной совокупностью существенных признаков.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на заявленный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемой к изобретениям, так как может быть изготовлена на стандартном оборудовании с использованием известных материалов и деталей.

Список литературы

1. Митряйкин В.И., Зайцева Т.А. Исследование плотности и пористости аддитивных материалов с применением спиральной компьютерной томографии // Вестник НЦБЖД. 2020. № 3 (45). С. 167-174.

2. Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И., Кротова Е.В. Разработка методики определения стойкости к ударным воздействиям деталей летательных аппаратов из композитов с сотовым заполнителем //Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 111-125. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44071524.

3. Паймушин В.Н., Холмогоров С.А., Макаров М.В., Бадриев И.Б. Численные исследования микро-, мезо- и макромасштабных плоских внутренних форм потери устойчивости элементов волокнистых композитов со структурой [±45]s в условиях растяжения и сжатия / Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред. Материалы XXIV международного симпозиума имени А.Г. Горшкова. 2018. С. 177-179.

4. Паймушин В.Н., Каюмов Р.А., Шакирзянов Ф.Р., Холмогоров С.А., О специфике работы композитного несущего слоя трехслойной пластины при локальном нагружении // Математическое моделирование в естественных науках. Тезисы XXIX Всероссийской школы-конференции. 2020. С. 165.

5. Eggermont F., Derikx L.C., Free J., van Leeuwen R., van der Linden Y.M., Verdonschot N., Tanck E. Effect of different CT scanners and settings on femoral failure loads calculated by finite element models // Journal of Orthopaedic Research. – 2018. – Vol. 36, iss. 8. – P. 2288–2295.

6. Eggermont F., Derikx L.C., Verdonschot N., Van Der Geest I.C.M., De Jong M.A.A., Snyers A., Van Der Linden Y.M., Tanck E. Can patient-specific finite element models better predict fractures inmetastatic bone disease than experienced clinicians // Bone and Joint Research. – 2018. – Vol. 7, iss. 6. –P. 430–439.

7. Giovannelli L., Rodenas J.J., Navarro-Jimenez J.M., Tur M. Direct medical image-based Finite Element modelling for patient-specific simulation of future implants // Finite Elements in Analysis and Design. – 2017. – Vol. 136. – P. 37–57.

Использование: для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии содержит крышку верхнюю, крышку нижнюю, четыре шпильки, динамометр, исследуемый образец с координатной сеткой или тензодатчиками, четыре гайки, четыре гайки самостопорящихся, четыре гайки контрящих, центровочную шайбу, четыре гайки для передачи усилия, четыре шайбы, компьютерный томограф, включающий в себя: патрон, приемник рентгеновского излучения, излучатель рентгеновского излучения, компьютер с установленным программным комплексом; при этом четыре шпильки, на которые предварительно закручены гайки, установлены на внутренней части нижней крышки, внешняя часть нижней крышки зафиксирована четырьмя гайками самостопорящимися, которые затем законтрены гайками контрящими, при этом нижний торец шпилек не заходит за плоскость торца патрона компьютерного томографа, при этом исследуемый образец помещен на нижнюю крышку, сверху на исследуемый образец установлен динамометр, между верхней крышкой и динамометром установлена центровочная шайба, при этом динамометр поджат верхней крышкой, при этом на свободные поверхности исследуемого образца предварительно размещены координатная сетка или тензодатчики с возможностью определения поля перемещений исследуемого образца, над верхней крышкой на шпильки установлены четыре шайбы и четыре гайки для передачи усилия с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; при этом нижняя крышка вставлена в патрон компьютерного томографа таким образом, чтобы исследуемый образец был расположен между приемником рентгеновского излучения и излучателем рентгеновского излучения, при этом компьютерный томограф снабжен компьютером с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца. Технический результат: обеспечение возможности получения комплекса данных о физико-механических свойствах (плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант) во всем объеме исследуемого натурного образца при заданной внешней сжимающей осевой силе, действующей на исследуемый образец, и известном поле перемещений верхнего торца. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии, содержащее крышку верхнюю, крышку нижнюю, четыре шпильки, динамометр, исследуемый образец с координатной сеткой или тензодатчиками, четыре гайки, четыре гайки самостопорящихся, четыре гайки контрящих, центровочную шайбу, четыре гайки для передачи усилия, четыре шайбы, компьютерный томограф, включающий в себя: патрон, приемник рентгеновского излучения, излучатель рентгеновского излучения, компьютер с установленным программным комплексом; при этом четыре шпильки, на которые предварительно закручены гайки, установлены на внутренней части нижней крышки, внешняя часть нижней крышки зафиксирована четырьмя гайками самостопорящимися, которые затем законтрены гайками контрящими, при этом нижний торец шпилек не заходит за плоскость торца патрона компьютерного томографа, при этом исследуемый образец помещен на нижнюю крышку, сверху на исследуемый образец установлен динамометр, между верхней крышкой и динамометром установлена центровочная шайба, при этом динамометр поджат верхней крышкой, при этом на свободные поверхности исследуемого образца предварительно размещены координатная сетка или тензодатчики с возможностью определения поля перемещений исследуемого образца, над верхней крышкой на шпильки установлены четыре шайбы и четыре гайки для передачи усилия с возможностью обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; при этом нижняя крышка вставлена в патрон компьютерного томографа таким образом, чтобы исследуемый образец был расположен между приемником рентгеновского излучения и излучателем рентгеновского излучения, при этом компьютерный томограф снабжен компьютером с установленным программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца.

2. Способ использования устройства по п.1, заключающийся в том, что для зафиксированного в заявленном устройстве исследуемого образца отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра и перемещений, производят контроль позиционирования исследуемой зоны и установку исследуемого образца таким образом, чтобы исследуемая зона находилась в поле сканирования приемника рентгеновского излучения и излучателя рентгеновского излучения; производят сканирование исследуемого образца компьютерным томографом, для чего компьютерный томограф подает излучение на излучатель рентгеновского излучения, которое проходит через исследуемый образец и попадает на приемник рентгеновского излучения, далее определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения, которые далее передают в компьютер для дальнейшей обработки; далее производят последовательную затяжку четырех гаек для передачи усилия для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы, после затяжки всех четырех гаек для передачи усилия определяют перемещение верхней крышки и показания динамометра, и производят сканирование исследуемого образца, оценивают прикладываемую сжимающую осевую силу; далее либо прекращают испытания, либо возвращаются на шаг последовательной затяжки четырех гаек для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; при этом далее при необходимости повторно неоднократно возвращаются на шаг последовательной затяжки четырех гаек для обеспечения действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы; в результате получают данные о перемещении верхней поверхности образца, данные о прикладываемой сжимающей осевой силе и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца; с помощью программного комплекса на основе данных компьютерной томографии определяют сетку представительных объемов, для назначенной сетки представительных объемов происходит автоматизированное определение эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема, далее для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, пористость, тензор структуры и тензор упругих констант.