CN103674730B - 一种弯曲刚度测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海缆、脐带缆以及海底柔性管道的检测技术，尤其是涉及的是一种海缆，脐带缆，海洋柔性管道的弯曲刚度测试装置。包括固定水平台一、固定水平台一，固定夹具一、固定夹具二、活动夹具、力臂一、力臂二、刻度尺、绳索、直线电机和力传感器；固定夹具一、固定夹具二和力臂一与水平台一固定连接，活动夹具通过万向轮与水平台二相接触，测试样品放置在固定夹具一、固定夹具二与活动夹具内，在固定夹具二、活动夹具之间测试样品的中点“O”处安装刻度尺，力臂二与活动夹具固定连接，力臂二下方有一个与活动夹具同样可调节的万向轮，在力臂一和力臂二的相同刻度处通过绳索相连接，绳索上装有拉动绳索的直线电机和测试拉力的力传感器。
Description
技术领域
本发明属于海缆、脐带缆以及海底柔性管道的检测技术，尤其是涉及的是一种海缆，脐带缆，海洋柔性管道的弯曲刚度测试装置。
背景技术
海缆、脐带缆、以及海底柔性管道是海洋电能和信号传输，油气开发以及传送的重要装备。在安装和在位运行过程中，海缆、脐带缆以及海底柔性管道等在波浪海流等环境载荷的作用下会受到拉伸以及弯曲载荷的作用，因此海缆、脐带缆、海底柔性管道等通常采用采用非黏结缠绕结构，各构件间可相互滑动，这样可使得他们在获得足够拉伸强度的同时具有良好的弯曲柔性，满足大变形应用的需要。因此弯曲刚度是评价海缆、脐带缆以及海底柔性管道的重要指标。目前对于海缆、脐带缆以及海底柔性管道等主要以测试拉伸性能为主，并有广泛认可的测试标准和方法，但是对于其弯曲刚度的性能则明显重视不够，虽然国内外已经有许多测试常规材料的弯曲刚度的标准和方法，但是对于海缆、脐带缆以及海底柔性管道等复杂系统，还缺乏统一的测试标准，试验装置和方法。
发明内容
本发明目的是针对目前测试海缆，脐带缆以及海底柔性管道弯曲刚度测试方面的不足，提供一种弯曲刚度测试装置，是一种直观的，测试数据准确以及使用简便的海缆，脐带缆以及海底柔性管道弯曲刚度的测试装置。
本发明一种弯曲刚度测试装置是采取以下技术方案实现：
一种弯曲刚度测试装置包括固定水平台一、固定水平台二，固定夹具一、固定夹具二、活动夹具、力臂一、力臂二、刻度尺、绳索、直线电机和力传感器。
整个弯曲测试装置放置在固定水平台一与固定水平台二上，测试样品在测试过程中处于水平状态。固定夹具一、固定夹具二和力臂一与水平台一固定连接，在测试过程中保持不动。活动夹具通过万向轮与水平台二相接触，万向轮与水平台二之间保持光滑接触。测试样品放置在固定夹具一、固定夹具二与活动夹具内，测试样品在固定夹具一、固定夹具二与活动夹具内不发生移动，可调节万向轮的高度使测试样品处于水平状态。在固定夹具二、活动夹具之间测试样品的中点“O”处安装刻度尺，刻度尺固定在测试样品上与样品垂直，并使刻度尺处于水平状态。力臂二与活动夹具固定连接，力臂二下方有一个与活动夹具同样可调节的万向轮，保证在测试过程中力臂二处于水平状态，在测试过程中力臂一和力臂二不能发生明显的弯曲变形，适宜用高强度钢铁或者合金材料构成。在测试过程中测试样品、力臂一和力臂二处于同一水平状态。在力臂一和力臂二的相同刻度处通过绳索相连接，绳索上装有拉动绳索的直线电机和测试拉力的力传感器。
所述的力臂一和力臂二采用高强度钢铁或者合金材料制成。
所述的绳索采用不可拉伸的钢丝绳等。
本发明的具体测试方法如下：
首先将海缆、脐带缆以及海底柔性管道等测试样品放置在固定夹具一、固定夹具二、活动夹具内，保持使样品处于水平状态并且使样品不在夹具内移动，测试固定夹具二、活动夹具内的样品长度BC=L。通过绳索将力臂二、力臂一相连接，保证力臂一和力臂二的受力长度相等，测试力臂的长度BD=CE=X。在未通过直线电机拉动绳索运动前，刻度尺和力传感器的示数为0。运行直线电机，拉动绳索使样品弯曲，同时测试固定夹具二、活动夹具点的距离BC=Z，样品中心点0到直线BC的垂直距离OP=Y（即刻度尺的示数），力传感器的示数F。
样品BC在弯曲过程中为圆弧形，样品中心点“O”处受到的弯矩M=FXcosθ+FY，样品的弯曲半径为R=MB=MC=MO=CP/sinθ=Z/(2sinθ)。根据变形过程中的几何关系cosθ=cos∠NMC=(Z2-4Y2)/(Z2+4Y2)，sinθ=sin∠NMC=4YZ/(Z2+4Y2)。则可计算得到样品的弯曲刚度为EI=MR，或作出M~1/R曲线，拟合得到弯曲刚度值。
本发明一种弯曲刚度测试装置的有益效果是：
本发明一种弯曲刚度测试装置设计合理，结构简便，操作便利，能够得到很精确的刚度数值，并能广泛适用于柔性系统的测试，特别适用于海缆，脐带缆，海洋柔性管道的弯曲刚度测试。
本发明通过样品变形过程中拉力值和相关几何参数的测量，通过计算可以得到样品受到的弯矩值和弯曲半径，进而计算出样品的弯曲刚度值。测试设备结构简便，操作方便，并能得到精确的测量值，填补了目前海缆、脐带缆以及海底柔性管道弯曲刚度测试的空白，并且能够适用于不同尺寸的样品，该装置还可以推广到各种柔性管道系统弯曲刚度的测量。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是一种弯曲刚度测试装置的主视图。
图2是一种弯曲刚度测试装置的俯视图。
图3是一种弯曲刚度测试装置的样品测试过程中的俯视图。
图4是一种弯曲刚度测试装置的样品测试过程中样品变形几何描述图形。
图中序号名称：1、固定夹具一，2、固定夹具二，3、活动夹具，4、刻度尺，5、固定水平台一，6、固定水平台二，7、万向轮，8、测试样品，9、力臂二，10、力臂一，11、力传感器，12、直线电机，13、绳索。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明进行具体描述。
如图1所示，一种弯曲刚度测试装置包括固定水平台一5、固定水平台二6，固定夹具一1、固定夹具二2、活动夹具3、力臂一10、力臂二9、刻度尺4、绳索13、直线电机12和测试拉力的力传感器11。
弯曲刚度测试装置放置在固定水平台一5和固定水平台二6上，在测试过程中保持测试样品8时刻处于水平状态，在固定水平台一5上固定连接安装测试样品的固定夹具一1和固定夹具二2，并且力臂一10固定在水平台一5上，力臂一10的方向与固定夹具一1和固定夹具二2的轴线相互垂直。活动夹具3通过可调节高度的万向轮7与固定水平台二6相接触，测试过程中保持万向轮7与水平台光滑接触，减少移动过程中万向轮7受到的水平台6的摩擦力。通过调节万向轮7的高度使测试样品8处于水平状态。由图2可知，力臂二9与活动夹具3固定连接，并保持力臂二9的方向与活动夹具3的轴线相互垂直。力臂二9下方有一个与活动夹具3同样可调节的万向轮，保证在测试过程中力臂二9处于水平状态，在测试过程中力臂一10和力臂二9不能发生明显的弯曲变形，适宜用高强度钢铁或者合金材料构成。力臂二9通过可调节高度的万向轮与夹具3保持相同的高度。测试样品8安装在固定夹具一1、固定夹具二2和活动夹具3内，保持样品在测试过程中不会发生移动或者转动。在固定夹具二2和活动夹具3的中点“O”处安装水平刻度尺4，刻度尺4的方向与测试样品8相垂直。在力臂二9和力臂一10等刻度处安装不可伸长的绳索13，保证力臂二9和力臂一10的受力长度CE和BD相等，但可根据受力情况调节力臂长度X，在绳索上分别连接有直线电机12、测试拉力的力传感器11。在测试过程中，保证测试样品8，刻度尺4，力臂二9和力臂一10，以及绳索13处于同一水平面上。
所述的绳索13采用不可拉伸的钢丝绳等。
所述的万向轮与水平台二之间保持光滑接触。
所述的绳索13与力臂二9的接触点到测试样品的长度与力臂一10的接触点到测试样品的长度相等，即受力长度相等BD=CE。
所述的一种弯曲刚度测试装置，在测试过程中测试样品、力臂一、力臂二、刻度尺4，绳索13保持在一个水平面上，处于同一水平状态。
所述的力臂二9和力臂一10采用高强度钢或合金材料制作的抗弯曲变形的力臂。
所述的力传感器11采用常规的市售测试拉力的力传感器。
所述的直线电机12采用常规的市售直线电机。
在安装测试样品8后(图1和图2)，保证固定夹具一1,、固定夹具二2和活动夹具3处于同一直线上，此时力臂二9和力臂一10，刻度尺4均与测试样品8垂直，绳索13与测试样品8平行。记录测试样品8的初始长度BC=L和力臂长度CE=BD=X，此时刻度尺和力传感器的示数为0。如图3所示，在测试过程中，通过直线电机12拉伸绳索13，绳索13带动力臂9移动并使测试样品8发生弯曲，在此过程中测试固定夹具二2和活动夹具3之间的直线距离BC=Z，测试样品8中心O到直线BC的垂直距离OP=Y，即刻度尺4的示数，力传感器11的力值F。记录不同时刻的上述Z(t)、Y(t)和F(t)值。
由图4可知，变形过程中测试样品8的形状BC为圆弧形，力F对O点的有效力臂长度OQ=OP+PQ=Y+Xcosθ，则O点受到的弯矩为M=F|OQ|=FXcosθ+FY。圆弧的半径R=MB=MC=MO，由几何关系可知，R=MO=MP+PO=Rcosθ+Y，并且CP=Z/2=MCsinθ=Rsinθ。综上可得cosθ=(Z2-4Y2)/(Z2+4Y2)，sinθ==4YZ/(Z2+4Y2)，可求得圆弧的半径R=Z/(2sinθ)。则可计算得到测试样品8的弯曲刚度EI=MR，或者我们得到弯矩与曲率的关系曲线：M(t)~1/R(t)，通过拟合得到所需的弯曲刚度数值。
Claims (6)
1.一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：包括固定水平台一、固定夹具一、固定夹具二、活动夹具、力臂一、力臂二、刻度尺、绳索、直线电机和力传感器；
整个弯曲测试装置放置在固定水平台一与固定水平台二上，测试样品在测试过程中处于水平状态，固定夹具一、固定夹具二和力臂一与水平台一固定连接，在测试过程中保持不动，活动夹具通过万向轮与水平台二相接触，测试样品放置在固定夹具一、固定夹具二与活动夹具内，测试样品在固定夹具一、固定夹具二与活动夹具内不发生移动，可调节万向轮的高度使测试样品处于水平状态，在固定夹具二、活动夹具之间测试样品的中点“O”处安装刻度尺，刻度尺固定在测试样品上与样品垂直，并使刻度尺处于水平状态，力臂二与活动夹具固定连接，力臂二下方有一个与活动夹具同样可调节的万向轮，保证在测试过程中力臂二处于水平状态，在力臂一和力臂二的相同刻度处通过绳索相连接，绳索上装有拉动绳索的直线电机和测试拉力的力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：所述的万向轮与水平台二之间保持光滑接触。
3.根据权利要求1所述的一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：绳索与力臂二的接触点到测试样品的长度和与力臂一的接触点到测试样品的长度相等，即受力长度相等。
4.根据权利要求1所述的一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：在测试过程中测试样品、力臂一、力臂二、刻度尺，绳索保持在一个水平面上，处于同一水平状态。
5.根据权利要求1所述的一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：所述的绳索采用不可拉伸的钢丝绳。
6.根据权利要求1所述的一种弯曲刚度测试装置，其特征在于：力臂二和力臂一采用高强度钢制作的抗弯曲变形的力臂。
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