Устройство для определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии и способ его использования Российский патент 2024 года по МПК G01N23/46 

Изобретение относится к устройству для определения структуры материала или образцов при автоматизированном одноосном сжатии и способу его использования по назначению. Заявленное техническое решение предназначено для получения информации о структуре, механических свойствах неоднородных образцов, при проведении деформирования под действием одноосного автоматизированного сжатия, и исследования образца с помощью рентгеновских излучений. Заявленное техническое решение реализовано на базе программного обеспечения, разработанного персонально для заявленного технического решения, позволяющего исследовать свойства образцов при воздействии осевой нагрузке в любом возможном временном интервале и при любых значениях вертикальных нагрузок для любых видов неоднородных образцов, удовлетворяющие габаритам устройства.

На дату представления заявочных материалов в промышленности получили широкое распространение новые материалы, характеризующиеся 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 неоднородных материалов с применением спиральной компьютерной томографии // Вестник НЦБЖД. 2020. № 3 (45). С. 167-174] [2]. Применение рентгеновской компьютерной томографии позволяет идентифицировать структуру внутренних дефектов и рассчитать пористость, которая необходима для проектирования требуемых для заказчика изделий.

Проблема идентификации структуры внутренних дефектов исследуемых материалов заключается в определении внутренних физико-механических и структурных свойств исследуемых образцов в процессе их деформировании в режиме реального времени. Неоднородные и композитные материалы, за счет своей структуры, имеют свойство разрушаться во внутренней области, что ведет к необратимым изменениям 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].

Данные процессы разрушения образцов возможно воспроизвести «прямым моделированием» с помощью стандартных расчётных програмных комплексов, например «Ансис», «Компас» и др.

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] 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].

Другим также популярным способом моделирования является способ, основанный на гомогенизации среды и последующем моделировании. Недостатком такого подхода является невозможность точной локализации области разрушения внутри исследуемого образца и возможность выявления причины разрушения, а именно, невозможно однозначно выявить наступило ли разрушение связующей, составляющих и/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.

При анализе структуры с применением рентгеновской компьютерной томографии используются результаты сканирования РКТ, а именно - числа Хаунсфилда, которые определяются тем, насколько ослабляется рентгеновское излучение, проходя через данный материал - эта шкала суть оптическая плотность материала. Зная количество и типы материалов, по данным РКТ производится задача сегментации, то есть определяются диапазоны чисел Хаунсфилда, соответствующие исследуемым материалам.

Подходы к таким задачам также можно разделить на прямые и гомогенизированные. Прямые подходы подразумевают непосредственное воссоздание геометрии неоднородного образца в численной модели и последующей расчет образца с целью определения макроскопических физико-механических свойств. Гомогенизированные подходы, наоборот, основаны на осреднении искомых физико-механических свойств в некоторых под объёмах образца.

При использовании метода представительных элементов, относящемуся к гомогенизированному подходу, весь объем образца рассматривается, как набор под объёмов, которые именуются представительными элементами, физико-механические свойства которых в дальнейшем исследуются. Таким образом, для каждого представительного элемента необходимо определить характерные физико-механические свойства: плотность, пористость, тензор структуры, тензор упругих констант и т.д., по которым, в свою очередь, дают заключение заказчику. При этом, по мнению заявителя, следует акцентировать внимание на том, что чаще всего при описанном подходе используются численные эксперименты.

Определив для каждого представительного элемента его физико-механические свойства, их можно интерполировать на все тело исследуемого образца, 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].

Отдельным недостатком описанных ранее методов является применение численных методов, а значит, получаемые результаты сильно зависят от начальных физических гипотез и могут не учитывать реальные физические особенности образца. При этом особенностью известного способа исследований является то, что указанные расчёты производятся без нагружения образца, что не дает исчерпывающей информации о физико-механических свойствах при эксплуатации исследуемого образца по назначению.

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

Характерной особенностью заявленного технического решения является то, что предоставляется возможность одновременного обеспечения необходимой жесткости и прочности, используемого для исследования образцов устройства, обеспечивающего нагружение образца с минимизацией помех от устройства при просвечивании рентгеновским излучением исследуемого образца.

Для снижения упомянутых ранее помех предпочтительно, чтобы исследуемая зона оставалась полностью открытой. Такой подход дает более точные данные о структуре при использовании рентгеновского излучения, но накладывает ограничения на рабочие нагрузки и выставляет большие требования к используемому устройству для обеспечения внешней нагрузки.

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, RU2755098.

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).

- отсутствие автоматизированного равномерного процесса нагружения (RU2719276, RU2714515, RU157585, CN108195671, RU2755098).

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 3D-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 невозможно 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).

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков, выбранным заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту RU 2755098 «Устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии и способ его использования», сущностью 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 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.

Недостатками прототипа по сравнению с заявленным техническим решением является:

- изменение внешней сжимающей нагрузки передается за счет ручного затягивания гаек, что в свою очередь приводит к возможному смещению образца внутри установки или неравномерному нагружению. такой эффект происходит из-за поочередной затяжки гаек;

- для контроля перемещений используется внешний измерительный прибор, такой вид измерения ограничивает точность измерений, так как в том числе присутствует вероятность ошибки оператора при снятии измерений, а так же от оператора зависит время получения компьютерной модели образца, которая включает в себя: установку, ручную затяжку гаек, снятие показаний перемещений, остановку съемки рентгеновским излучением для ручной затяжки гаек и проведения измерений;

- менее точное представление о структуре материала и его физико-механических свойствах вследствие того, что измерение пористости производится без учета вида пор (открытые, закрытые) и их характерного размера (макро и микропористость).

На Фиг. 7 представлена Таблица сопоставительного анализа признаков заявленного технического решения с признаками аналогов для облегчения проведения экспертизы по существу.

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

Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением и принципиальным отличием заявленного технического решения от всех известных аналогов является то, что исследуемый объект в заявленном техническом решении является максимально открытым для рентгеновского излучения, что повышает качество съемки и, как следствие, качество получаемых 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. Принципиальным отличием от прототипа является автоматизированный процесс нагружения, который не требует вмешательство мануального (физического) воздействия оператора. Так же исключается ошибка оператора или неточность измерительного прибора при оценке перемещений, т.к. перемещения задаются при помощи разработанного программного комплекса для электродвигателя. Сокращается время проведения исследований, так как исчезает необходимость остановки съемки рентгеновским излучением для ручной затяжки гаек и проведения измерений, ручной затяжки гаек и снятия показаний перемещений. Разработанный программный комплекс для обработки результатов съемки образца рентгеновским излучением позволяет производить измерение пористости с учетом вида пор (открытые, закрытые) и их характерного размера (макро и микро пористость).

Техническим результатом заявленного технического решения является разработка устройства для определения структуры и физико-механических свойств образцов при автоматизированном одноосном сжатии и способа его использования, устраняющие недостатки прототипа, а именно:

- отсутствие смещения образца внутри установки или более равномерное нагружение вследствие того, что изменение внешней сжимающей нагрузки передается не за счет затягивания гаек, а за счет электропривода, соединённого с редуктором и передающего внешнее усилие через винтовую передачу посредством управления с помощью разработанного программного обеспечения, которое позволяет задать конкретный режим нагружения;

- повышение точности контроля перемещений и снижение ошибки при снятии показаний вследствие того, что в программном комплексе задается точное значение перемещений, а не используется внешний измерительный прибор и отсутствует вероятность ошибки оператора при снятии показаний, а также снижение времени получения компьютерной модели образца, так как нагружение происходит при помощи программного обеспечения, которое задает конкретный режим нагружения и работа которой не зависит от скорости работы оператора, а получается вследствие использования программы ЭВМ;

- достижение возможности получения более точного представления о структуре материала и его физико-механических свойствах вследствие того, что измерение пористости производится с учетом вида пор (открытые, закрытые) и их характерного размера (макро и микропористость).

Сущностью заявленного технического решения является устройство для определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии, содержащее гайки контрящие 8 штук, крышку нижнюю, гайки стопорные 4 штуки, шпильки направляющие, динамометр, крышку силовую, болт нагрузочный, муфту, втулки 4 штуки, крышку среднюю, болты фиксирующие 8 штук, редуктор, гайки 12 штук, исследуемый образец, крышку верхнюю, центровочный шарик, электродвигатель, блок питания, управляющие устройство, компьютерный томограф, включающий в себя: рентгеновский излучатель, экран компьютерного томографа, компьютер компьютерного томографа, патрон компьютерного томографа; при этом элементы связаны между собой следующим образом: нижняя крышка установлена при помощи контрящих и стопорных гаек на четыре направляющие шпильки, при этом конец шпилек выполнен не заходящим за плоскость торца патрона компьютерного томографа, исследуемый образец установлен на нижнюю крышку, сверху на него установлены динамометр и крышка силовая, между ними установлена центровочный шарик, при этом вся текущая конструкция поджата восемью гайками, нагрузочный болт установлен в муфту и надет на редуктор, который привинчен к средней крышке при помощи болтов и гаек, затем установлен на направляющие шпильки совместно с крышкой верхней и электродвигателем, к редуктору установлен электродвигатель, при этом редуктор и электродвигатель зафиксированы между собой гайками и фиксирующими болтами, далее электродвигатель подключен к плате управления и блоку питания и установлен в патрон компьютерного томографа, снабженный программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца. Способ определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии, заключающийся в том, что сначала проводят сборку устройства по п.1, далее для зафиксированного исследуемого образца отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра и перемещений, далее 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, далее 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, при этом при помощи программного обеспечения для электродвигателя устанавливается конкретный режим нагружения; далее снимают показания с динамометра и производят сканирование исследуемого образца при помощи компьютерного томографа; затем либо прекращают испытания, либо устанавливают другой режим нагружения; в результате получают данные о перемещении болта нагрузочного, данные о прикладываемой внешней сжимающей нагрузке и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца, с помощью программного обеспечения определяют сетку представительных объемов на получаемых данных компьютерной томографии, при этом для назначенной сетки представительных объемов происходит автоматизированное определение эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема; для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, микро- и макропористость, 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.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 - Фиг.7.

На Фиг. 1 представлена схема заявленного устройства в целом.

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

Позиции на Фиг.1 - Фиг. 2 обозначают:

1 - гайки контрящие,

2 - крышка нижняя,

3 - гайки стопорные,

4 - шпильки направляющие,

5 - динамометр,

6 - крышка силовая,

7 - болт нагрузочный,

8 - муфта,

9 - втулки 4 шт.,

10 - крышка средняя,

11 - болты фиксирующие,

12 - редуктор,

13 - крышка верхняя,

14 - электродвигатель,

15 - рентгеновский излучатель,

16 - экран компьютерного томографа,

17 - компьютер компьютерного томографа,

18 - центровочный шарик,

19 - патрон компьютерного томографа,

20 - гайки,

21 - исследуемый образец.

На Фиг. 3 представлен пример графика распределения коэффициентов ослабления рентгеновского излучения в числах Хаунсфилда, где 3а - вид сбоку до воздействия сжимающей осевой силы, 3б - вид сбоку после воздействия сжимающей осевой силы.

На Фиг. 4 приведены срезы компьютерной томографии представительного объема исследуемого образца при воздействии, где 4а - до воздействия сжимающей осевой силы, 4б - после воздействия сжимающей осевой силы.

На Фиг. 5 представлены срезы компьютерной томографии представительного объема исследуемого образца при воздействии, где 5а - при воздействии сжимающей силы с помощью затяжек гаек, 5б - при воздействии сжимающей силы при помощи активации электродвигателя.

На Фиг. 6 представлен пример определения закрытых и открытых пор, где голубой цвет - закрытая пора, а зеленый - открытая пора.

На Фиг. 7 представлена Таблица сопоставительного анализа признаков заявленного технического решения с признаками аналогов для облегчения проведения экспертизы по существу.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

На начальном шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы данные об объеме сканированного реального образца дискретизируются 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 программ ЭВМ, принадлежащих заявителю - по свидетельствам о государственной регистрации программ ЭВМ № 2019664273, № 2019664273.

Далее заявителем приведено осуществление заявленного технического решения.

Заявленное устройство содержит следующие составные части (Фиг.1 - Фиг.2): гайки контрящие 8 шт. (1), крышка нижняя (2), гайки стопорные 4 шт. (3), шпильки направляющие (4), динамометр (5), крышка силовая (6), болт нагрузочный (7), муфта (8), втулки 4 шт. (9), крышка средняя (10), болты фиксирующие 8 шт. (11), редуктор (12), гайки 12 шт. (20), исследуемый образец (21), крышка верхняя (13), центровочный шарик (18), электродвигатель (14), блок питания (на Фиг. не указан), управляющие устройство (на Фиг. не указано), компьютерный томограф, включающий в себя: рентгеновский излучатель (15), экран компьютерного томографа (16), компьютер компьютерного томографа (17), патрон компьютерного томографа (19).

При этом элементы связаны между собой следующим образом: нижняя крышка (2) установлена при помощи контрящих (1) и стопорных гаек (3) на четыре направляющие шпильки (4), при этом конец шпилек (4) выполнен не заходящим за плоскость торца патрона компьютерного томографа (19), исследуемый образец (21) установлен на нижнюю крышку (2), сверху на него установлены динамометр (5) и крышка силовая (6), между ними установлена центровочный шарик (18), при этом вся текущая конструкция поджата восемью гайками (20), нагрузочный болт (7) установлен в муфту (8) и надет на редуктор (12), который привинчен к средней крышке (10) при помощи болтов (11) и гаек (20), затем установлен на направляющие шпильки (4) совместно с крышкой верхней (13) и электродвигателем (14), к редуктору (12) установлен электродвигатель (14), при этом редуктор (12) и электродвигатель (14) зафиксированы между собой гайками (20) и фиксирующими болтами (11), далее электродвигатель (14) подключен к плате управления и блоку питания и установлен в патрон компьютерного томографа (19), снабженный программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца (21).

Заявленное устройство собирают следующим образом.

В нижнюю крышку (2) устанавливаются четыре шпильки направляющие (4), на которые закручиваются гайки контрящие (1) и гайки стопорные (3). Между шпильками направляющими устанавливается динамометр (5) и закручиваются четыре гайки (20), продевается крышка силовая (6) и фиксируется при помощи закручивания гаек (20), после вкручивается болт нагрузочный (7). Между электродвигателем (14) и редуктором (12) устанавливается крышка верхняя (13) при помощи болтов фиксирующих (11), затем надевается муфта (8) и при помощи болтов фиксирующих (11) прикручивается крышка средняя (10) с уже установленными втулками (9), после чего устанавливается на шпильки направляющие (4) и болт нагрузочный (7), затем фиксируется гайками (20). После устанавливается центровочный шарик (18) и исследуемый образец (21). Электродвигатель (14) подключается к блоку питания и управляющему устройству. Крышку нижнюю (2) вставляют в патрон компьютерного томографа (19), например, сболчиванием, таким образом, чтобы исследуемый образец (21) был расположен между экраном компьютерного томографа (16) и рентгеновским излучателем (15). Компьютерный томограф снабжен компьютером компьютерного томографа (17) 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 (21) в соответствии с описанием, приведенным выше.

2. Для зафиксированного в заявленном устройстве исследуемого образца (21) отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра (5) и перемещений.

3. Производят контроль позиционирования исследуемой зоны и установку исследуемого образца (21) таким образом, чтобы исследуемая зона находилась в поле сканирования приемника рентгеновского излучения и излучателя рентгеновского излучения.

4. 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.

5. При помощи разработанного программного обеспечения для электродвигателя (14) устанавливается конкретный режим нагружения. Далее снимаются показания с динамометра (5) и производится сканирования исследуемого образца (21) при помощи компьютерного томографа (17). Затем либо прекращают испытания, либо устанавливают другой режим нагружения. (в зависимости от поставленной задачи).

6. В результате получают данные о перемещении болта нагрузочного (7), данные о прикладываемой внешней сжимающей нагрузке и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца (24).

7. С помощью разработанных программ по свидетельствам о государственной регистрации программ ЭВМ № 2019664273, № 2019664273 определяют сетку представительных объемов на получаемых данных компьютерной томографии.

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

9. Для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, пористость (микро и макро), 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 7 по 9 производят с помощью созданных ранее программ ЭВМ: свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ № 2019664273, № 2019664273.

Далее заявителем приведены примеры осуществления заявленного технического решения.

Пример 1. Осуществление заявленного технического решения с использованием координатной сетки

1. Вначале по описанному ранее методу собирают заявленное устройство с исследуемым образцом - например, бруском размерами, например, 700 мм на 25 мм на 25 мм, например, отлитым из универсального полиуретанового пластика белого цвета Lasilcast 12. При этом используют динамометр (5), например, системы Токаря №. С1932. Полученная конструкция устанавливается в компьютерный томограф (например, микро-/нанофокусная система рентгеновского контроля для компьютерной томографии и система 2D инспекции Phoenix V|tome|X S240), зажимая при этом крышку нижнюю (2). Компьютерный томограф (на Фиг. не указан) снабжен компьютером с установленным программным обеспечением, которая позволяет обрабатывать данные сканирования исследуемого образца.

2. Далее отмечают нулевую линию нагрузки (например, величина нагрузки до 5 Н на динамометре) и перемещений (например, величина перемещений нагрузочного болта (7) до 0,5 мм).

3. Производят контроль позиционирования исследуемой зоны и установку исследуемого образца (21) таким образом, чтобы исследуемый образец (21) был расположен в поле сканирования - между приемником рентгеновского излучения и излучателем рентгеновского излучения, например, таким образом, чтобы габариты исследуемого образца были в зоне 30 мм от краев приемника и излучателя.

4. Производят сканирование исследуемого образца компьютерным томографом, для чего компьютерный томограф подает излучение, например, при ускоряющем напряжении 90-100 кВ и токе 140-150 мА, на излучатель рентгеновского излучения, которое проходит через исследуемый образец и попадает на приемник рентгеновского излучения. На основании этого определяют коэффициенты ослабления рентгеновского излучения, которые, например, выражаются в числах Хаунсфилда, которые подают в компьютер для дальнейшей обработки распределения коэффициентов ослабления рентгеновского излучения в числах Хаунсфилда (Фиг. 3).

5. Далее при помощи разработанного программного обеспечения для электродвигателя (14) устанавливают режим нагружения, например, нужно воздействовать усилием в 7000 Н. Производится сканирование образца (21) при помощи компьютерного томографа (17). Далее испытание прекратили в связи с достигнутой целью исследования.

6. В результате получены данные о перемещении болта нагрузочного (7), данные о прикладываемой внешней сжимающей нагрузке и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца.

7. С помощью программного комплекса, а именно ЭВМ № 2019664273, № 2019664273, на основе данных компьютерной томографии определяют координатную сетку ее перемещения и сетку представительных объемов.

8. Для назначенной сетки представительных объемов определяют эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема.

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

На Фиг. 5 представлены срезы компьютерной томографии представительного объема исследуемого образца при воздействии, где 5а - при воздействии сжимающей силы с помощью затяжек гаек, 5б - при воздействии сжимающей силы при помощи активации электродвигателя. Из Фиг.5 видно, что отсутствует смещение образца внутри установки, тем самым обеспечено более равномерное нагружение вследствие того, что изменение внешней сжимающей нагрузки передается не за счет затягивания гаек, а за счет электропривода, соединённого с редуктором и передающего внешнее усилие через винтовую передачу посредством управления с помощью разработанного программного обеспечения, которое позволяет задать конкретный режим нагружения. Указанное доказывает достижение заявленного технического результата.

На Фиг. 6 представлен пример определения закрытых и открытых пор, где голубой цвет - закрытая пора, а зеленый - открытая пора. Таким образом, достигнута возможность получения более точного представления о структуре материала и его физико-механических свойствах вследствие того, что измерение пористости производится с учетом вида пор (открытые, закрытые). Указанное доказывает достижение заявленного технического результата.

Пример 2. Осуществление заявленного технического решения с использованием тензодатчиков и с многократной активацией двигателя

Проводят действия по Примеру 1, отличающиеся тем, что:

- Вместо координатной сетки на исследуемый образец устанавливают тензодатчики, например, приклеиванием;

- Производят съемку исследуемого образца (21) без приложенной внешней сжимающей нагрузки.

- Далее увеличиваем перемещение путем активации электродвигателя (14) и задают требуемое перемещение или значение сжимающей нагрузки, предположим нужно воздействовать усилием в 7000 Н. Затем производят сканирование исследуемого образца с новыми параметрами системы.

- Далее не останавливают процесс, а производят повторную активацию электродвигателя (14), до достижения требуемой внешней сжимающей нагрузки, например 10000 Н, затем производят сканирование исследуемого образца с новыми параметрами системы.

- Если требуется провести еще одну съемку, электродвигатель (14) активируется еще раз, если этого не требуется испытание прекращают ввиду достижения поставленной задачи.

- Последующие действия осуществляют по Примеру 1.

Таким образом, на основе изложенного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно - разработано устройство для определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии и способ его использования, устраняющие недостатки прототипа, а именно:

- отсутствует смещение образца внутри установки, тем самым обеспечено более равномерное нагружение вследствие того, что изменение внешней сжимающей нагрузки передается не за счет затягивания гаек, а за счет электропривода, соединённого с редуктором и передающего внешнее усилие через винтовую передачу посредством управления с помощью разработанного программного обеспечения, которое позволяет задать конкретный режим нагружения - см. Примеры, Фиг.5;

- оптимизирован процесс проведения эксперимента, точность контроля перемещений и ошибки при снятии показаний не зависит от оператора, т.к. в программном комплексе задается точное значение перемещений, а не используется внешний измерительный прибор и отсутствует вероятность ошибки оператора при снятии показаний, а также нагружение происходит при помощи программного обеспечения, которое задает конкретный режим нагружения и работа которой не зависит от скорости работы оператора, а получается вследствие использования программы ЭВМ;

- достигнута возможность получения более точного представления о структуре материала и его физико-механических свойствах вследствие того, что измерение пористости производится с учетом вида пор (открытые, закрытые) и их характерного размера (макро и микропористость) - см. Примеры, Фиг.6.

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 условию патентоспособности «промышленная применимость» предъявляемому к изобретениям, так как заявленный состав может быть получен посредством использования известных компонентов с применением стандартного оборудования и известных приемов.

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 образцов при автоматизированном одноосном сжатии. Сущность изобретения заключается в том, что для зафиксированного исследуемого образца отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра и перемещений, далее 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, далее 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, при этом при помощи программного обеспечения для электродвигателя устанавливается конкретный режим нагружения; далее снимают показания с динамометра и производят сканирование исследуемого образца при помощи компьютерного томографа; затем либо прекращают испытания, либо устанавливают другой режим нагружения; в результате получают данные о перемещении болта нагрузочного, данные о прикладываемой внешней сжимающей нагрузке и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца. Технический результат: обеспечение возможности получения достоверных и высокоточных данных о структуре материала и его физико-механических свойствах. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии, содержащее гайки контрящие 8 штук, крышку нижнюю, гайки стопорные 4 штуки, шпильки направляющие, динамометр, крышку силовую, болт нагрузочный, муфту, втулки 4 штуки, крышку среднюю, болты фиксирующие 8 штук, редуктор, гайки 12 штук, исследуемый образец, крышку верхнюю, центровочный шарик, электродвигатель, блок питания, управляющее устройство, компьютерный томограф, включающий в себя: рентгеновский излучатель, экран компьютерного томографа, компьютер компьютерного томографа, патрон компьютерного томографа; при этом элементы связаны между собой следующим образом: нижняя крышка установлена при помощи контрящих и стопорных гаек на четыре направляющие шпильки, при этом конец шпилек выполнен не заходящим за плоскость торца патрона компьютерного томографа, исследуемый образец установлен на нижнюю крышку, сверху на него установлены динамометр и крышка силовая, между ними установлен центровочный шарик, при этом вся текущая конструкция поджата восемью гайками, нагрузочный болт установлен в муфту и надет на редуктор, который привинчен к средней крышке при помощи болтов и гаек, затем установлен на направляющие шпильки совместно с крышкой верхней и электродвигателем, к редуктору установлен электродвигатель, при этом редуктор и электродвигатель зафиксированы между собой гайками и фиксирующими болтами, далее электродвигатель подключен к плате управления и блоку питания и установлен в патрон компьютерного томографа, снабженный программным обеспечением с возможностью обработки данных сканирования исследуемого образца.

2. Способ определения структуры образцов при автоматизированном одноосном сжатии, заключающийся в том, что сначала проводят сборку устройства по п. 1, далее для зафиксированного исследуемого образца отмечают нулевую линию нагрузки для динамометра и перемещений, далее 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, далее 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, при этом при помощи программного обеспечения для электродвигателя устанавливается конкретный режим нагружения; далее снимают показания с динамометра и производят сканирование исследуемого образца при помощи компьютерного томографа; затем либо прекращают испытания, либо устанавливают другой режим нагружения; в результате получают данные о перемещении болта нагрузочного, данные о прикладываемой внешней сжимающей нагрузке и данные компьютерного рентгеновского сканирования о внутренней структуре исследуемого образца, с помощью программного обеспечения определяют сетку представительных объемов на получаемых данных компьютерной томографии, при этом для назначенной сетки представительных объемов происходит автоматизированное определение эпюры перемещений, на основе которой определяют тензор деформаций для каждого представительного объема; для каждого представительного объема, с учетом его деформированного состояния, на каждом шаге действия на исследуемый образец сжимающей осевой силы определяют плотность, микро- и макропористость, 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.