CN102507742A

CN102507742A - 一种机械复合管结合强度的评价方法

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Publication number: CN102507742A
Application number: CN2011103678357A
Authority: CN
Inventors: 张燕飞; 魏帆; 郭崇晓; 王永芳; 王小艳
Original assignee: Xian Sunward Aerospace Material Co Ltd
Current assignee: Xian Sunward Aerospace Material Co Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: DE112011105860B4; WO2013071673A1; AU2011381327A1; CN102507742B; AU2011381327B2; DE112011105860T5

Abstract

本发明公开一种机械复合管结合强度的评价方法，包括以下步骤：选定标准件机械复合管；以一定方式对标准件机械复合管施加激振，记录激振力信号，实时采集加速度信号，进行分析处理后，获得标准件机械复合管的模态参数值；以相同方式，对待测机械复合管施加相同激振，并实时采集对应点的加速度信号，进行分析处理后，获得该待测机械复合管的相同模态参数值；将两个模态参数值进行对比，根据对比结果，判断该待测机械复合管结合强度是否合格。本发明解决了现有方法需进行破坏性检测，且检测误差大、成本高、效率低及无法在线检测的问题。

Description

一种机械复合管结合强度的评价方法

技术领域

本发明属于机械性能检测技术领域，具体涉及一种机械复合管结合强度的评价方法。

背景技术

机械复合管是利用衬管与基管的相对变形使得衬管与基管相互结合，衬管和基管之间没有形成冶金结合界面，衬管和基管的结合主要靠基管和衬管之间的径向残余应力来维持，因此，结合强度的好坏直接决定了机械复合管的使用环境。

目前用于评估机械复合管的结合强度的指标有轴向剪切分离强度和径向夹持力。其中，轴向剪切分离强度，是指在外载作用下使得基管和衬管发生相对滑动时轴向方向界面剪应力的大小；径向夹持应力是指基管和衬管复合后，作用在内衬管外表面的径向残余压应力。

就以上两个指标的评价方法而言，目前国内外均采用破坏性抽检的办法，破坏检测的手段主要有两种：一种是残余应力释放法来测径向夹持力，另一种是轴向压缩或轴向拉伸法来测轴向剪切强度。残余应力释放法是通过测量复合管去掉基管前后衬管轴向和环向应变的变化来计算复合管环向残余应力的一种方法。轴向拉伸或压缩法是通过拉伸或压缩基管和衬管，使得其产生相对滑动时测得最大轴向切应力的一种方法。

上述两种检测方法存在着三个弊端：其一，属于破坏性检验，检验成本高；其二，检测方法繁琐，检测速度慢，采用残余应力和轴向拉伸或压缩法检验一根复合管结合强度高低时一般需要两三天的时间；其三，只能在复合管的两个端头进行取样，检测误差大，测试结果可信度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械复合管结合强度的评价方法，解决了现有方法需进行破坏性检测，且检测误差大、成本高、效率低及无法在线检测的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种机械复合管结合强度的评价方法，包括以下步骤：

步骤1、选定结合强度符合评价要求，且与待测机械复合管相同材质和规格的标准件机械复合管；

步骤2、以一定方式对步骤1得到的标准件机械复合管施加激振，记录激振力信号，实时采集该标准件机械复合管特定点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得标准件机械复合管的模态参数值；

步骤3、以与步骤2相同的方式，对待测机械复合管施加相同激振，并实时采集该测机械复合管对应点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得该待测机械复合管的相同模态参数值；

步骤4、将步骤3获得的待测机械复合管的模态参数值与步骤2获得的标准件机械复合管的模态参数值进行对比，根据对比结果，判断该待测机械复合管结合强度是否合格。

其中，步骤1中，标准件机械复合管的具体选定方法为：

步骤1.1、将与待测复合管的等材质、等外径、等壁厚和等长度的基管和衬管同轴装配，得到标准化处理前的机械复合管；

步骤1.2、标准化处理

步骤1.2.1、初次加载

将步骤1.1得到的复合管的两端部安装密封装置，在基管外部正上方的中点位置上贴轴向应变片和环向应变片；

向衬管内腔注水，注水速度为衬管内的静水压力每分钟增加0.01±0.005Mpa，动态采集并记录基管环向应变ε_θ和轴向应变ε_z；

根据得到的环向应变ε_θ和轴向应变计算基管内表面实时环向应力σ_θ，当满足σ_θ≥σ_θ标准时停止注水并去水卸载，很据卸载后的基管环向应变ε′_θ和轴向应变ε′_z计算得到环向残余应力σ′_θ，当满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准时得到标准化处理后的机械复合管，其中，σ_θ标准为预定的最小环向应力值，否则，转入步骤1.2.2；

步骤1.2.2、重复加载

再次向衬管内腔注水，注水速度为衬管内的静水压力每分钟增加0.01±0.005Mpa，注水一分钟后，去水卸载，采集卸载后的基管环向应变ε′_θ和轴向应变ε′_z计算得到环向残余应力σ′_θ，当满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准时得到标准化处理后的机械复合管，否则重复本步骤直至满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准；

步骤1.2.3、

将得到的标准后处理后的机械复合管的两端部的密封装置拆卸，得到标准件机械复合管。

进一步地，模态参数为固有频率ω，步骤2的具体方法为：将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐；

在基管外部正上方的中点位置上布设加速度传感器，通过激振装置在基管上施加激振，激荡施加位置与该加速度传感器的水平距离在l/10到7l/10的范围内，将加速度传感器和激振施加装置均通过动态信号采集仪与计算机相连接，计算机将动态信号采集仪采集到的实时加速度信号和激振力信号进行频响分析，通过模态参数识别得到该标准件机械复合管的固有频率ω_标准；

步骤3中，采取与步骤2相同的方法，获得该待测机械复合管的固有频率ω_待测；

步骤4中，将步骤3获得的待测机械复合管的固有频率ω_待测与步骤2获得的标准件机械复合管的固有频率ω_标准进行对比，当ω_待测≥ω_标准时，待测机械复合管结合强度合格，否则，认为待测机械复合管结合强度不合格。

进一步地，模态参数为阻尼ξ，步骤2的具体方法为：将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐；

在基管外部正上方的中点位置上布设加速度传感器，通过激振装置在基管上施加激振，激荡施加位置与该加速度传感器的水平距离在l/10到7l/10的范围内，将加速度传感器和激振施加装置均通过动态信号采集仪与计算机相连接，计算机将动态信号采集仪采集到的实时加速度信号和激振力信号进行频响分析，通过模态参数识别得到该标准件机械复合管的阻尼ξ标准；

步骤3中，采取与步骤2相同的方法，最终获得该待测机械复合管的阻尼ξ_待测；

步骤4中，将步骤3获得的待测机械复合管的阻尼ξ与步骤2获得的标准件机械复合管的阻尼ξ_标准进行对比，当ξ_待测≤ξ_标准时，待测机械复合管结合强度合格，否则，认为待测机械复合管结合强度不合格。

进一步地，模态参数为传递率η，步骤2的具体方法为：将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐；

在衬管内部正上方管口位置A点布设一号加速度传感器，在基管外部正上方的中点位置B点布设二号加速度传感器，通过激振装置在基管上施加激振，将两个加速度传感器和激振施加装置均通过动态信号采集仪与计算机相连接，计算机将对得到的信号进行处理分析，得到A点的时域信号a(t)和B点的时域信号b(t)，经过傅里叶变换后分别得到A(t)和B(t)，将A(t)除以B(t)，得到A点加速度相对于B点加速度的传递率η_标准，0≤η_标准≤1；

步骤3中，采取与步骤2相同的方法，获得该待测机械复合管的传递率η_待测；

步骤4中，将步骤3获得的待测机械复合管的传递率η_待测与步骤2获得的标准件机械复合管的传递率η_标准进行对比，当η_待测≥η_标准时，待测机械复合管结合强度合格，否则，认为待测机械复合管结合强度不合格。

本发明方法的有益效果是：

1、通过对选定的标准件机械复合管和待测机械复合管分别施加激振，获得模态参数，并通过模态参数对比的方法，来实现检测评价待测机械复合管的结合强度是否复合标准，其不需要破坏管道，降低了检验成本。

2、本发明方法选定标准件机械复合管的方法简单，科学合理，经大量实验证明，其作为评价标准的检测误差小，结果可靠。

3、本发明方法简单易行，检测效率高，测试一根复合管仅需要不到一分钟的时间，因此能实现对复合管结合强度的在线实时检测；且相对于抽检能够降低检测误差，与现有残余应力和轴向拉伸或压缩法相比，具有检测精度高的优点。

附图说明

图1是本发明方法中的机械复合管的结构示意图；

图2是本发明方法中机械复合管横向振动的两自由度振动模型示意图；

图3是本发明方法中对机械复合管进行振动测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，机械复合管1由基管2和位于基管2内的衬管3组成。

实施例1

机械复合管结合强度的评价方法，包括以下步骤：

步骤1、选定结合强度符合评价要求，且与待测机械复合管相同材质和规格的标准件机械复合管，即所选定的标准件机械复合管待测复合管等材质、等外径、等壁厚和等长度。

标准件机械复合管的具体选定方法为：

步骤1.2、标准化处理

步骤1.2.1、初次加载

向衬管内腔注水，使得衬管发生弹塑性变形基管发生弹性变形，注水速度为衬管内的静水压力每分钟增加0.01±0.005Mpa，每间隔一分钟采集并记录基管环向应变ε_θ和轴向应变ε_z；

根据公式

其中，r₂为基管的内径，r₃为基管的外径，E为基管的弹性模量，v为基管的泊松比，得到基管内表面实时环向应力σ_θ，当满足σ_θ≥σ_θ标准时停止注水并去水卸载，很据卸载后的基管环向应变ε′_θ和轴向应变ε′_z计算得到环向残余应力σ′_θ，当满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准时得到标准化处理后的机械复合管，其中，σ_θ标准为通过客户或标准给定的结合强度指标计算得来的环向应力指标，否则，转入步骤1.2.2；

步骤1.2.2、重复加载

步骤1.2.3、

步骤2、以一定方式对步骤1得到的标准件机械复合管施加激振，记录激振力信号，实时采集该标准件机械复合管特定点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得标准件机械复合管的固有频率ω_标准。

步骤2的具体方法为：

如图3所示，将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽2上，调整该两个V型槽2的位置，使两个V型槽2支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐。

在基管外部正上方的中点位置上布设加速度传感器4，加速度传感器4的灵敏度一般要求大于等于100mv/g。通过激振装置3在基管上施加激振，激荡施加位置与该加速度传感器4的水平距离在l/10到7l/10的范围内，将加速度传感器和激振装置均通过动态信号采集仪(DHDAS5920)与计算机相连接，采用模态分析软件(DHMA)，将动态信号采集仪采集到的实时加速度信号和激振力信号进行频响分析，通过模态参数识别得到该标准件机械复合管的固有频率ω_标准。

激荡装置的选用标准为：预估固有频率值小于等于200Hz时采用橡胶锤头；预估固有频率值在200Hz～500Hz时采用尼龙锤头；预估固有频率值大于500Hz采用金属锤头。

步骤3、以与步骤2相同的方式，对待测机械复合管施加相同激振，并实时采集该测机械复合管对应点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得该待测机械复合管的相固有频率ω_待测。

步骤3的具体方法为：

将长度为l的待测机械复合管水平放置在与步骤2相同的两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐；

在待测机械复合管的基管外部正上方的中点位置上布设加速度传感器，加速度传感器的灵敏度一般要求大于等于100mv/g。通过激振装置在基管上施加激振，激振装置以及激振施加位置、大小和方式均与步骤2相同，加速度采集位置与步骤2相同，加速度传感器、以及激振装置均通过动态信号采集仪与计算机相连接，计算机将动态信号采集仪采集到的实时加速度信号和激振力信号进行频响分析，通过模态参数识别获得该待测机械复合管的固有频率ω_待测。

步骤4、将步骤3获得的待测机械复合管的固有频率ω_待测与步骤2获得的标准件机械复合管的固有频率ω_标准进行对比，当ω_待测≥ω_标准时，待测机械复合管结合强度合格，否则，认为待测机械复合管结合强度不合格。

实施例2

本实施例中，作为检测评价复合管结合强度的模态参数为阻尼ξ。步骤2中，通过对加速度信号和力信号进行频响分析后，获得该标准件机械复合管的阻尼ξ_标准。步骤3中，对待测机械复合管的加速度信号和力信号进行频响分析后，获得该待测机械复合管的阻尼ξ_待测，步骤1至步骤3的其他步骤方法均与实施例1相同。

1、机械复合管的结合强度与结合界面法向刚度的关系：

根据粗糙表面法向接触刚度分形模型，当假设接触表面是各向同性，并且粗糙表面各微凸体之间的相互作用可以忽略，则机械结合界面的无量纲法向刚度可表示为：

{k^{*}}_{n} = \frac{2 {(2 - D)}^{D / 2} D^{\frac{2 - D}{2}}}{\sqrt{π} (1 - D)} A_{r}^{* \frac{D}{2}} [{(\frac{2}{D} - 1)}^{\frac{1 - D}{2}} A_{r}^{* \frac{1 - D}{2}} - a_{c}^{* \frac{1 - D}{2}}],

其中，k^* _n为无量纲机械结合面法向接触刚度，

为无量纲真实接触面积，D为结合面的分形维数，

为无量纲临界接触面积。

当接触面发生弹塑性变形时，两圆柱体之间的法向载荷与接触面积之间的关系为：

其中，p^*为无量纲法向力，G^*为无量纲分形粗糙度参数，k为与材料的硬度和屈服强度有关的系数，g₁和g₂是分形维数D的函数，

通过结合界面无量纲接触刚度和无量纲法向力的关系式，得出机械结合界面的刚度随着法向载荷的增大而增大。

由于机械复合管是通过水下爆燃技术使得基管和衬管发生弹塑性变形而达到机械贴合的，因此它的结合强度与基管和衬管之间界面的径向残余压应力有关，即径向残余压应力越大复合管结合强度越高，而复合管的径向压应力可表示为：σ＝P/A，其中，P为复合管结合面上的法向力，A为复合管真实的接触面积。

综上分析，结合强度越高，结合界面法向载荷越大，而结合界面法向载荷越大，则结合界面法向刚度越大，所以结合强度越高，结合界面法向刚度越大。

2、结合界面法向刚度与复合管固有频率的关系：

由于机械复合管基管和衬管之间界面比较复杂，所以采用无限自由度梁的振动模型很难从理论上分析基管和衬管结合界面对复合管动力特性的影响。为了降低分析难度将复合管两端简支的横向振动简化为两个自由度的振动模型。如图2所示，其中m₁代表基管的质量；m₂代表衬管的质量；k₁代表复合管的弯曲刚度；k₂代表基管与衬管之间界面刚度；c代表基管与衬管之间界面阻尼，ω为模型系统的固有频率。基管和衬管之间界面的刚度和阻尼分别用弹簧刚度和阻尼元件来模拟：

运动微分方程：

特征方程：

|\begin{matrix} k_{1} + k_{2} - m_{1} ω^{2} & - k_{2} \\ - k_{2} & k_{2} - m_{2} ω^{2} \end{matrix}| = 0;

可得，

ω^{2} = \frac{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2} &PlusMinus; \sqrt{{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}]}^{2} - 4 m_{1} m_{2} k_{1} k_{2}}}{2 m_{1} m_{2}};

取

ω^{2} = \frac{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2} - \sqrt{{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}]}^{2} - 4 m_{1} m_{2} k_{1} k_{2}}}{2 m_{1} m_{2}},

对k₂求导，可得：

\frac{d ω^{2}}{d k_{2}} = \frac{m_{2} + m_{1} - \frac{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}] (m_{2} + m_{1}) - 2 m_{1} m_{2} k_{1}}{\sqrt{{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}]}^{2} - 4 m_{1} m_{2} k_{1} k_{2}}}}{2 m_{1} m_{2}},

\frac{d ω^{2}}{d k_{2}} > \frac{m_{2} + m_{1} - \frac{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}] (m_{2} + m_{1}) - 2 m_{1} m_{2} k_{1}}{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}}}{2 m_{1} m_{2}} = \frac{k_{1}}{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}} > 0;

同理，取

ω^{2} = \frac{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2} + \sqrt{{[(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}]}^{2} - 4 m_{1} m_{2} k_{1} k_{2}}}{2 m_{1} m_{2}},

对k₂求导可得：

\frac{d ω^{2}}{{dk}_{2}} &GreaterEqual; \frac{m_{1} + m_{2}}{m_{1} m_{2}} + \frac{k_{1}}{(k_{1} + k_{2}) m_{2} + m_{1} k_{2}} > 0 .

综上能看出dω²/dk₂恒大于零，得ω²随k₂的增大而增大的结论。由于k₂代表基管和衬管结合界面的法向刚度，因此，得到结合界面法向刚度越大的复合管，则其固有频率越高的结论。

3、机械复合管结合强度与固有频率及阻尼之间的关系：

由结合强度与结合界面法向刚度关系的分析结论(结合强度越高，结合界面法向刚度越大)和结合界面法向刚度与固有频率关系的分析结论(结合界面法向刚度越大，固有频率越高)，得出机械复合管结合强度越高则固有频率越大的结论。

同时，如下表所示，采用本发明方法获得多个机械复合管的固有频率和阻尼，采用现有的的剪切分离破坏试验方法获得结合强度，得到复合管结合强度越高，固有频率越大，阻尼越小的结论；也验证了本方法评价机械复合管结合强度的准确性。规格为76x(6+2)机械复合管中，该机械复合管的外径为76mm，基管的壁厚为6mm，衬管的壁厚为2mm；规格为219x(14.3+3)机械复合管中，该机械复合管的外径为219mm，基管的壁厚为14.3mm，衬管的壁厚为3mm。

实施例3

本实施例中，作为检测评价复合管结合强度的模态参数为传递率η。步骤1的步骤方法与实施例1相同。

步骤2、以一定方式对步骤1得到的标准件机械复合管施加激振，记录激振力信号，实时采集该标准件机械复合管特定点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得标准件机械复合管的传递率η_标准。

步骤2的具体方法为：将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐。

在衬管内部正上方管口位置A点布设一号加速度传感器，该A点位置与管口距离a满足0≤a≤50mm；在基管外部正上方的中点位置B点布设二号加速度传感器；通过激振装置在基管上施加激振，激振施加位置位于B点位置的右侧，且距离B点100mm～500mm；将两个加速度传感器和激振施加装置均通过动态信号采集仪与计算机相连接，计算机将对采集得到的信号进行处理分析，得到A点的时域信号a(t)和B点的时域信号b(t)，经过傅里叶变换后分别得到A(t)和B(t)，将A(t)除以B(t)，得到A点加速度相对于B点加速度的传递率η_标准，0≤η_标准≤1；

步骤3中，采取与步骤2相同的方法，对待测机械复合管施加相同激振，并实时采集该测机械复合管对应点的加速度信号，对得到的信号进行分析处理，获得该待测机械复合管的传递率η_待测，0≤η_待测≤1。

本发明方法中，传递率η也能作为检测评价复合管结合强度的模态参数。采用本发明方法和现有的剪切分离破坏试验方法，分别得到多个机械复合管的传递率和结合强度。从下表中，可以看出结合强度高则传递率大，也验证了本方法评价机械复合管结合强度的准确性。规格为89x(5+2)的机械复合管中，该机械复合管的外径为89mm，基管的壁厚为5mm，衬管的壁厚为2mm。

Claims

1.一种机械复合管结合强度的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.按照权利要求1所述的机械复合管结合强度的评价方法，其特征在于，步骤1中，标准件机械复合管的具体选定方法为：

步骤1.2、标准化处理

步骤1.2.1、初次加载

根据得到的环向应变ε_θ和轴向应变计算基管内表面实时环向应力σ_θ，当满足σ_θ≥σ_θ标准时停止注水并去水卸载，很据卸载后的基管环向应变ε′_θ和轴向应变ε′_z计算得到环向残余应力σ′_θ，当满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准时得到标准化处理后的机械复合管，其中，σ_θ标准为通过客户或标准给定的结合强度指标计算得来的环向应力指标，否则，转入步骤1.2.2；

步骤1.2.2、重复加载

再次向衬管内腔注水，注水速度为衬管内的静水压力每分钟增加0.01±0.005Mpa，注水一分钟后，去水卸载，采集卸载后的基管环向应变ε′_θ和轴向应变ε′_z计算得到环向残余应力σ′_θ，当满足σ_θ标准≤σ′θ≤1.5σ_θ标准时得到标准化处理后的机械复合管，否则重复本步骤直至满足σ_θ标准≤σ′_θ≤1.5σ_θ标准；

步骤1.2.3、

3.按照权利要求1或2所述的机械复合管结合强度的评价方法，其特征在于，所述模态参数为固有频率ω，

步骤2的具体方法为：将步骤1得到的长度为l的标准件机械复合管水平放置在两个V型槽上，调整该两个V型槽的位置，使两个V型槽支撑部的外侧端面与复合管的两个外端面竖直对齐；

4.按照权利要求1或2所述的机械复合管结合强度的评价方法，其特征在于，所述模态参数为阻尼ξ，

5.按照权利要求1或2所述的机械复合管结合强度的评价方法，其特征在于，所述模态参数为传递率η，