3D avbildning och deformationsanalys av inhomogena material med röntgenbaserad mikrotomografi och digital volymkorrelation

Transkript

1 3D avbildning och deformationsanalys av inhomogena material med röntgenbaserad mikrotomografi och digital volymkorrelation Fredrik Forsberg Avd. för experimentell mekanik Inst. för tillämpad fysik, maskin och materialteknik Luleå tekniska universitet

2 Innehåll Kortfattad beskrivning av metoder 1. 3D avbildning med röntgenbaserad mikrotomografi 2. 3D Mönsterigenkänning för bestämning av förändringar inuti provet (Digital volymkorrelation) Tillämpningsexempel: 1. Fullständig 3D avbildning och analys av rörelser inuti granulärt socker vid kompaktering 2. Analys av svällning i trä som utsatts för väta 3. Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning

3 3D avbildning med röntgenbaserad mikrotomografi

4 3D avbildning med röntgenbaserad mikrotomografi Vid en tomografisk avbildning tas ca 600 röntgenbaserade projektionsbilder i jämn följd medan provet roteras ett varv. Utifrån de 600 projektionsbilderna återskapas sedan en strukturell 3D bild av provet med hjälp av den tomografiska rekonstruktionsalgoritmen. Principen är densamma som för klinisk avbildning med datortomografi (skiktröntgen) på sjukhus fast i mindre skala och med högre upplösning.

5 3D Mönsterigenkänning för bestämning av förändringar inuti provet Deformationen (förskjutningsfältet) som uppkommer inuti provet vid belastning beräknas med hjälp ut av en 3D mönsterigenkänningsmetod som har utvecklats vid avdelningen för experimentell mekanik, vid Luleå tekniska universitet (LTU). Vid ett experiment görs två stycken avbildningar av provet en före och en efter belastning. Mönsterigenkänningsmetoden analyser sedan hur mikrostrukturen i små delvolymer inuti provet rör sig mellan de båda avbildningarna. Från de uppmätta förskjutningfälten kan sedan tredimensionella töjningsfält beräknas

6 Fullständig 3D avbildning och analys av rörelser inuti granulärt socker vid kompaktering

7 Avbildning Experimentuppställning Röntgen källa Prov Röntgen detektor Motoriserat rotationbord

8 Avbildning Provet består av granulärt socker (strösocker) i en plexiglascylinder, med en innerdiameter på 7 mm. Ø 7 mm Avbildning av sockerstruktur (Snitt gjort i centrum av cylindern)

9 3D avbildning av sockerstruktur Region i vilken sockerkristallernas rörelser analyseras

10 Region i vilken sockerkristallernas rörelser analyseras Regionen har dimensionerna 6.7 x 6.7 x 8.2 mm3

11 Rörelser inuti granulärt socker vid kompaktering Färgskalan visar förskjutningen i z-led (µm) (a) (b) (c) (d) : yz-snitt vid x=1.68 mm : yz-snitt vid x=3.36 mm : yz-snitt vid x=5.04 mm : Hela regionen

12 Rörelser inuti granulärt socker vid kompaktering Resultat i centrum av cylindern (yz-skikt vid x=3.36 mm) Färgskalan visar förskjutningen i z-led (µm) Vektorerna visar förskjutningar i yz-planet Dvs. både y- och z- förskjutningar

13 Analys av svälling i trä som utsatts för väta Avbildningen har här gjorts med mikrotomografi baserad på s.k. synkrotron-röntgenstrålning. Denna typ av strålning tillåter avbildning med högre kvalitet och upplösning än vad som är möjligt med vanliga mikrotomografi-system. Experimenten har gjorts i en synkrotron-anläggning i Schweiz, tillsammans med våra samarbetsparters vid Schweiz statliga materialforskningsinstitutet (EMPA). Avbildad trästruktur i en region som mäter 112 x 112 x 56.0 µm 3.

14

15 Avbildad trästruktur Torrt tillstånd Efter 12 h i vatten

16 Avbildad trästruktur Dimension på analyserad region: 0.72 x 0.72 x 0.45 mm 3. Torrt tillstånd Efter 12 h i vatten

17 Resultat från analys av svällningen u-förskjutning (µm) (svällning i x-led) v-förskjutning (µm) (svällning i y-led)

18 Resultat från analys av svällningen Vektorfälten i (b), (c) och (d) beskriver svällningen i planen som är markerade i (a)

19 Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning

20 Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning (mm)

21 Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning Belastningstillstånd 1

22 Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning Belastningstillstånd 2

23 Inre deformationer och töjningar i ett träprov som utsätts för böjning Belastningstillstånd 3 - kollaps

24 Förskjutningen i z-led (µm) då träprovet går från belastingstilltånd 1 till 2

25 Förskjutningen i y-led (µm) då träprovet går från belastingstilltånd 1 till 2

26 Publikationer knytna till dessa experiment Analys av rörelser i granulärt socker vid kompaktering: Forsberg, F. och Siviour, C.R. 3D deformation and strain analysis in compacted granular sugar using x-ray microtomography and digital volume correlation,. Skickad till tidskriften Measurement science and technology (2008). Analys av deformation i trä vid svällning: F. Forsberg, J. Danvind, R. Mooser, E. Hack, P. Wyss, 3D micro-scale analysis of swell behaviour in pine wood, Skickad till tidskriften Holzforschung (2008). Analys av deformation i trä vid böjning: Forsberg F, Mooser R, Arnold M, Hack E and Wyss P 3D micro-scale deformations of wood in bending: Synchrotron radiation µct data analyzed with digital volume correlation, J. Struct. Biol , (2008), doi: /j.jsb Forsberg F, Sjödahl M, Mooser R, Hack E and Wyss P "Full 3D strain measurements on wood exposed to three-point-bending: Analysis by use of digital volume correlation applied to synchrotron radiation µct image data, Strain 45 (In press).

27 Välkommen till presentation och försvar av doktorsavhandlingnen X-ray Microtomography and Digital Volume Correlation for Internal Deformation and Strain Analysis Tid: , kl Plats: LTU, E-huset, E231