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原文传递高温超声疲劳原位测试仪器及测试方法

专利名称：	高温超声疲劳原位测试仪器及测试方法
摘要：	本发明涉及一种高温超声疲劳原位测试仪器及测试方法，属于精密科学仪器领域。仪器由整体框架模块、机械加载模块、高温加载模块和原位监测模块组成，整体框架模块用于对各功能模块精确定位，同时提供稳定支撑和有效隔振；机械加载模块用于对被测试样两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，依据测试需要施加超声疲劳载荷，并可实现轴向的精确转位；高温加载模块用于对被测试样施加高温载荷；原位监测模块用于对被测试样的表面变形损伤与内部损伤缺陷实施并行原位监测。可实现对被测试样缺陷信息由内而外、由表及里的同步表征及三维重构。具有载荷环境复杂、测试精度高、同时能动态监测材料力学行为与变形损伤机制的特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林大学
发明人：	赵宏伟;秦学志;王赵鑫;赵久成;张世忠;徐利霞;万杰;周水龙;靖旭;方宇明;陈俊先
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910861685.1
公开号：	CN110441163A
代理机构：	吉林长春新纪元专利代理有限责任公司
代理人：	王怡敏
分类号：	G01N3/18(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	130000吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：包括整体框架模块（1）、机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4），整体框架模块（1）采用四立柱式结构，实现对机械加载模块（2）、原位监测模块（3）、高温加载模块（4）的牢固支撑，机械加载模块（2）分别通过商业化电机驱动组件（40）的支撑外壳、上液压缸（43）的连接法兰与整体框架模块（1）中的上支撑板（9）、安装平台（5）刚性连接，实现对被测试样的两端同步施加静态拉伸/压缩载荷，原位监测模块（3）分别通过固定底板（67）、固定座（60）、导轨座（61）和安装架（58）与整体框架模块（1）中的安装平台（5）、CT固定板Ⅱ（14）、立柱连接块（8）、CT固定板Ⅰ（7）刚性连接，实现对被测试样缺陷信息进行由内而外、由表及里的同步表征及三维重构；高温加载模块（4）通过“L”型支座（75）与整体框架模块（1）的安装平台（5）刚性连接，并通过上、下动密封波纹管（71、77）与机械加载模块（2）中的上、下超声探头上（33、35）连接，构建真空或惰性气体氛围以隔绝氧气，实现对被测试样的高温加载。 2.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的机械加载模块（2）包含液压加载子模块（15）、超声加载子模块（16）和试样转位子模块（17），超声加载子模块（16）实现对被测试样的超声疲劳加载，液压加载子模块（15）分别通过上、下活塞杆（46、47）与试样转位子模块（17）的胀紧套Ⅱ（41）及超声加载子模块（16）的胀紧套Ⅰ（38）刚性连接；试样转位子模块（17）通过胀紧套Ⅲ（42）与超声加载子模块（16）的中间连接杆（27）刚性连接，在一次测试试验中，同时实现对被测试样进行双端同步静态拉伸载荷加载、超声疲劳载荷加载与轴向精确转位。 3.根据权利要求2所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的超声加载子模块（16）中的上、下高温连杆（23、22）的尺寸超声系统匹配，在20 kHz下达到纵振；上、下高温连杆（23、22）中开有对称分布的“H”型冷却流道，且冷却流道的出/入口均设置在其振动位移节点，以减小冷却水管对上、下高温连杆（23、22）振动的干扰。 4.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的原位监测模块（3）包含三维红外热成像子模块（51）、高景深显微成像子模块（52）、CT扫描成像子模块（53），所述三维红外热成像子模块（51）的两个红外热成像装置（69）均放置在“H”型安装板（62）上，实现对被测试样标距段全局温度信息的三维重构；所述高景深显微成像子模块（52）是：高景深显微成像装置（65）固定在显微镜安装板（64）上，显微镜安装板（64）固定在显微镜三自由度定位平台（66）上，在显微镜三自由度定位平台（66）的驱动下，高景深显微成像装置（65）相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整，实现对被测试样标距中心微区表面形貌、缺陷的随动监测；所述CT扫描成像子模块（53）是：CT主机（55）固定在支撑板（59）上，支撑板（59）固定在CT三自由度定位平台（54）上，CT三自由度定位平台（54）固定在固定座（60）上，高分辨率接收板（56）固定在接收板Z向定位平台（57）上，接收板Z向定位平台（57）固定在安装架（58）上，在CT三自由度定位平台（54）的驱动下，CT主机（55）相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整；在接收板Z向定位平台（57）的驱动下，高分辨率接收板（56）相对被测试样的轴向进行快速、精确调整，CT主机（55）与高分辨率接收板（56）配合使用，实现对被测试样标距段的逐层扫描、成像。 5.根据权利要求4所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的“H”型安装板（62）与滑块组件Ⅰ（68）连接，滑块组件Ⅰ（68）与导轨组件Ⅰ（63）配合，导轨组件Ⅰ（63）与导轨座（61）刚性连接，“H”型安装板（62）上加工有螺纹孔，导轨座（61）的相应位置加工有盲孔，“H”型安装板（62）沿着导轨组件1（63）上下移动，并通过螺栓实现与导轨座（61）的固定。 6.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）中，气体弹簧组件（82）与上动密封波纹管（71）的法兰刚性连接，限制波纹管的轴向转动自由度，防止波纹管受扭破坏。 7.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）中，旋转密封组件Ⅰ、Ⅱ（87、91）包含密封圈Ⅰ（94）、密封圈组件（95）、密封圈Ⅱ（96）、密封轴套（97）、密封法兰（98），密封圈组件（95）嵌入上超声探头（33）轴肩的密封槽内，密封圈Ⅰ（94）嵌入密封法兰（98）的密封槽内，密封圈Ⅱ（96）嵌入上动密封波纹管（71）法兰上的密封槽内，旋转密封组件Ⅰ、Ⅱ（87、91）与上、下超声探头（33、35）配合，实现旋转密封。 8.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）中，内嵌式石英观测窗组件（89）为独立的模块，通过螺栓固定在真空腔（72）外壁上；内嵌式石英观测窗组件（89）由内外两层石英玻璃组成，内外两层石英玻璃间有间隙，通入循环冷却水实现冷却，外层石英玻璃的底部紧靠加热炉（78）的炉壁，内层石英玻璃内径大于高景深显微成像装置（65）的镜头外径，试验时高景深显微成像装置（65）的镜头探入内嵌式石英观测窗组件（89）中，以满足其显微成像距离要求。 9.根据权利要求1所述的高温超声疲劳原位测试仪器，其特征在于：所述的高温加载模块（4）中，腔体支撑座（74）焊接在真空腔（72）侧壁上，并通过螺栓与滑块组件Ⅱ（86）刚性连接，滑块组件Ⅱ（86）与导轨组件Ⅱ（79）配合，导轨组件Ⅱ（79）通过螺栓与“L”型支座（75）刚性连接，“L”型支座（75）与安装平台（5）刚性连接，当进行常温试验时，真空腔（72）沿着导轨移动，为试验人员提供充足的操作空间。 10.一种高温超声疲劳原位测试方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、超声试样（34）的装夹：将“H”型安装板（62）沿着导轨组件Ⅰ（63）移动至上极限位置，并用螺栓固定；打开真空腔门（83），将超声试样（34）通过双头螺柱与上、下高温连杆（23、22）刚性连接；步骤二、超声试样（34）的高温加载：真空腔（72）内构建真空环境，或向真空腔（72）内持续通入惰性气体构建惰性气体氛围；温度控制器向加热炉（78）内的电阻丝通入不同大小的电压使其发热，并通过热辐射的方式实现超声试样（34）不同温度的高温加载；红外测温计Ⅰ、Ⅱ（92、93）实时监测超声试样（34）标距段的温度，并反馈至温度控制器，形成闭环控制；步骤三、超声试样（34）的静态拉伸/压缩载荷加载：超声试样（34）的静态拉伸/压缩载荷加载由机械加载模块（2）来实现，上、下高压油驱动活塞杆（46、47）相向运动，将动力传递给超声加载子模块（16），带动上、下高温连杆（23、22）相向运动，实现对超声试样（34）的静态拉伸/压缩载荷加载；步骤四、超声试样（34）的超声疲劳载荷加载：超声试样（34）的超声疲劳载荷加载由超声加载子模块（16）来实现，超声换能器（26）输出的微弱机械振动经上超声连接器（25）、上超声探头（33）的两极放大后，依次传递给上高温连杆（23）、超声试样（34）、下高温连杆（22）、下超声探头（35）、下超声连接器（21），激励这些零件对在20 kHz形成稳定的共振，实现超声试样（34）的超声疲劳载荷加载；步骤五、超声试样（34）的轴向转位：超声试样（34）的轴向转位由试样转位子模块（17）来实现，商业化电机驱动组件（40）中伺服电机输出的动力，经减速器传递给花键轴（39），带动超声加载子模块（16）旋转，实现超声试样（34）的轴向转位；步骤六、超声试样（34）的并行原位监测：超声试样（34）的并行原位监测由原位监测模块（3）来实现，在三维红外热成像子模块（51）中，两个红外热成像装置（69）均放置在“H”型安装板（62）上，实现对被测试样标距段温度信息的三维重构；在高景深显微成像子模块（52）中，显微镜三自由度定位平台（66）的驱动高景深显微成像装置（65）相对被测试样的轴向及径向位置进行快速、精确调整，实现对被测试样标距中心微区表面形貌、缺陷的随动监测；在CT扫描成像子模块（53）中，CT三自由度定位平台（54）的驱动CT主机（55）对被测试样标距段进行逐层扫描、成像，实现对被测试样标距段全局缺陷信息三维重构；三维红外热成像子模块（51）、高景深显微成像子模块（52）、CT扫描成像子模块（53）可同时使用，或两两组合使用，或单个使用，实现试验过程中对超声试样（34）的动态原位监测。
所属类别：	发明专利