CN105424475A - 用于试件疲劳试验的环境模拟装置和疲劳试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于试件疲劳试验的环境模拟装置和疲劳试验设备，其中该环境模拟装置包括：用于容纳试件的测试箱，在测试箱的侧壁上开设有能够分别允许试件的两端穿出的两个通孔；用于向测试箱内注入实验气体以模拟气体环境的气体注入装置；以及用于向测试箱内注入实验液体以模拟液体环境中至少一种流动状态的液体注入装置。根据本发明的用于试件疲劳试验的环境模拟装置不仅能够模拟由气体环境与液体环境所组成的复杂环境，而且还能够为施载测量装置中的拉伸载荷加载装置、例如卧式疲劳试验机提供便利的测量条件。

Description

用于试件疲劳试验的环境模拟装置和疲劳试验设备

技术领域

本发明涉及一种用于试件疲劳试验的环境模拟装置，该环境模拟装置不仅能够模拟由液体环境和气体环境组成的复杂环境，例如海洋环境与其上方气候环境所组成的复杂环境、湖泊环境与其上方气候环境所述组成的复杂环境，而且还能够为施载测量装置中的载荷加载装置(例如卧式疲劳试验机)和/或引伸计提供便利的测量条件。另外，本发明还提供了一种包括上述环境模拟装置和施载测量装置的疲劳试验设备。

背景技术

试件在特定环境下的疲劳强度是决定试件在实际应用中的重要指标。以海洋结构为例来说，海洋石油钻井、采油、储油及系泊平台、海底输油管线、温差电站等海洋结构中不可或缺相应部件。若能通过试件代替这些部件，并通过疲劳试验对试件在其所处环境下的疲劳强度进行测试，就可以准确地评估这些部件在所处环境下的适应性和使用寿命，由此可以有效评估和预防海洋结构所要发生的事故风险。

中国专利申请CN101660985A公开了一种在加载过程中实现同步干式交替加速腐蚀的设备，该设备包括控制系统、控温系统、控湿系统、喷雾系统和腐蚀疲劳箱。该设备通过控制系统、控温系统、控湿系统和喷雾系统能够在腐蚀疲劳箱内模拟出干湿交替且温度可控的气体环境。由此可知，该设备能够模拟海洋或湖泊等液体环境上方的气体环境，但是其无法直接模拟由气体环境与液体环境所述组成的复杂环境，更加无法模拟液体环境中的平流、波浪、飞溅(由河水或海水冲击岸边所形成)等流动状态对气体环境和试件的影响，因此使用该设备是无法准确评估由试件(即海洋结构中部件的代替物)在气体环境与液体环境所组成的复杂环境中的疲劳强度。

因此，需要一种能够模拟由气体环境与液体环境组成的复杂环境的环境模拟装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于试件疲劳试验的环境模拟装置，其能够模拟由气体环境与液体环境所组成的复杂环境。同时，本发明还提供了一种用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备，其能够在模拟的由气体环境与液体环境组成的复杂环境中测量试件的疲劳强度。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于试件疲劳试验的环境模拟装置，其包括：用于容纳试件的测试箱，在所述测试箱的侧壁上开设有能够分别允许所述试件的两端穿出的两个通孔；用于向所述测试箱内注入实验气体以模拟气体环境的气体注入装置；以及用于向所述测试箱内注入实验液体以模拟液体环境中至少一种流动状态的液体注入装置。

进一步地，所述环境模拟装置还包括设在所述测试箱内的溅液板，以用于促使由所述液体注入装置注入到所述测试箱内的实验液体飞溅到所述试件上。

进一步地，所述液体注入装置包括蓄液箱、连通所述蓄液箱与测试箱的且带注液泵的注入管路和连通所述蓄液箱与测试箱的回流管路。

进一步地，所述液体注入装置还包括：设在所述测试箱内并与所述注入管路相连的喷液嘴，和/或用于加热所述实验液体的加热器。

进一步地，所述气体注入装置包括储气箱、通气式连接在所述测试箱与储气箱之间的注气泵和与所述储气箱相连的排气机构。

进一步地，所述排气机构包括连通所述储气箱和外界大气的抽气泵。

进一步地，所述环境模拟装置还包括开设在所述测试箱上的能够允许引伸计的测试头插入所述测试箱内的第一测试孔。

进一步地，所述环境模拟装置还包括开设在所述测试箱上能够允许疲劳试验机的压头插入到所述测试箱内的第二测试孔。

进一步地，所述蓄液箱由用于形成所述通孔的上箱体和下箱体组成，所述上箱体由柔性材料制成，所述下箱体由硬质材料制成。

进一步地，所述柔性材料为聚酰亚胺，所述硬质材料为聚氯乙烯。

进一步地，所述环境模拟装置还包括用于控制所述气体注入装置的注入速度和所述液体注入装置的注入速度的控制器。

进一步地，所述回流管路可拆卸地连接在所述蓄液箱与测试箱之间。

本发明的用于试件疲劳试验的环境模拟装置，通过气体注入装置和液体注入装置分别在测试箱内模拟出气体环境与液体环境中至少一种流动状态，使得该环境模拟装置的测试箱内能够模拟由气体环境与液体环境所组成的复杂环境，从而使施载测量装置能够对测试箱内的试件进行加载和测量，进而获知试件在该复杂环境中的疲劳强度。

另外，测试箱上开设有能够分别允许试件的两端穿出的两个通孔，试件的端部在从通孔穿出后能够被施载测量装置中的拉伸载荷加载装置的夹合，因此本发明的用于试件疲劳试验的环境模拟装置还可以为施载测量装置中的拉伸载荷加载装置(例如卧式疲劳试验机)提供便利的测量条件。同时，该用于试件疲劳试验的环境模拟装置的结构简单，制造容易，使用安全，便于实施推广应用。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备，该疲劳试验设备包括根据本发明的第一方面所述的环境模拟装置。

进一步地，该疲劳试验设备还包括：能够通过所述试件的端部对试件施拉伸载荷的拉伸载荷加载装置，以及与所述拉伸载荷加载装置的传感器相连以计算所述试件的疲劳强度的处理器。其中所述拉伸载荷加载装置优选为卧式疲劳试验机。

本发明的用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备能够通过上述用于试件疲劳试验的环境模拟装置为试件的疲劳强度测量提供由气体环境与液体环境所组成的复杂环境，以及为疲劳试验设备的施载测量装置中的拉伸载荷加载装置(例如卧式疲劳试验机)提供便利的测量条件。也就是说，疲劳试验设备能够把复杂环境与疲劳加载相结合，且复杂环境可控，试件变形可测，能够测试海洋结构在所在环境下的疲劳强度，对海洋结构的设计、建造和维护提供可靠的支持，以便降低海洋结构的制造和维护成本。同时，该疲劳试验设备的结构简单，制造容易，使用安全可靠，便于实施推广应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了根据本发明实施例的用于试件疲劳试验的环境模拟装置；

图2示意性显示了根据本发明实施例的用于试件疲劳试验的环境模拟装置的测试箱和用于向试件施加载荷的立式疲劳试验机；以及

图3示意性显示了根据本发明实施例的用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备。

在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

根据本发明的第一方面，提供了用于试件疲劳试验的环境模拟装置。图1显示了根据本发明实施例的用于试件疲劳试验的环境模拟装置10。如图1所示，该环境模拟装置10包括用于容纳试件9的测试箱2。测试箱2的形状可为圆柱形或棱柱形，甚至可是带平底的不规则的立体形状。测试箱2可由耐腐蚀的硬质材料、例如耐腐的金属或树脂材料制成，当然也可由其他材料制成，并在下文继续详述。

为方便施载测量装置对试件9施加载荷，在测试箱2的侧壁上开设有能够分别允许试件9的两端穿出的两个通孔8。其中，施载测量装置为能够向试件9施加载荷并测量疲劳强度的装置组合，例如包括拉伸和/或弯曲载荷加载装置、引伸计和处理器(即计算机或PLC)。所述拉伸载荷加载装置可选为能够向试件9施加纵向拉伸载荷的卧式疲劳试验机或其他装置，所述弯曲载荷加载装置可选为能够向试件9施加弯曲载荷的立式疲劳试验机或其他装置。由于试件9的两端暴漏在测试箱2的外部，拉伸载荷加载装置或弯曲载荷加载装置可直接夹持或支撑试件9的端部，从而便于对试件9施加相应的载荷。

该环境模拟装置10还包括用于向测试箱2内注入实验气体以模拟气体环境的气体注入装置5，以及用于向测试箱2内注入实验液体以模拟液体环境中至少一种流动状态的液体注入装置3。其中，实验气体可选为空气、高含氧气体(氧气质量含量大于80％)或惰性气体，甚至可调配的气体；而实验液体可为湖泊水、河水或海水，甚至可调配的液体。本领域技术人员根据不同的实验对象和目的，能够选择相应的实验气体和实验液体。若实验不是针对海洋结构、湖泊结构或河流结构进行的，实验气体也可惰性气体或其他气体替换，同样实验液体也可以其他液体替换。其中，术语“湖泊结构”和“河流结构”与海洋结构相类似，是指建设在湖泊或河流内或附近的设施，例如桥梁、路灯或电线杆等。

在实验过程中，通过气体注入装置5向测试箱2内注入实验气体，以便模拟气体环境；通过液体注入装置3向测试箱2内注入实验液体以模拟液体环境中至少一种流动状态，流动状态包括平流、波浪(包括海浪、潮汐等波浪形的运动)或飞溅。然后，根据实验要求来调整试件9的浸没状态。详细地说，试件9在模拟环境中的具体位置可由测试箱2内的液体量来决定，即试件9相对于液体环境的全浸没、半浸没或不浸入可由测试箱2内的液体量来决定。最后，通过拉伸载荷加载装置夹持试件9的两端并拉伸试件9，拉伸载荷加载装置的传感器或施载测量装置中的传感器便可对试件9的疲劳强度进行准确的检测，并把检测信息传输给施载测量装置中的处理器，待处理器计算完成后把施加的疲劳强度结果输出，以方便实验者获知。

实验者若想获知海洋结构在海洋环境与其上方气候环境所组成的复杂环境中的疲劳强度。在上述实验中，试件9的材料选为与海洋结构的材质相同，而其形状例如可选为圆柱体或长方体。实验气体选为海洋结构所处环境中的空气，该空气可调制，也可直接在该环境中采取；实验液体选为海洋结构所处环境中的海水、同样该海水可调制，也可直接在该环境中采取。通过这种方式，在上述实验完成后便可测量试件(即海洋结构的替代物)在海洋环境与其上方气候环境所组成的复杂环境中的疲劳强度。本领技术人员通过本段的操作原理获知如何对河流结构或湖泊结构进行实验，因此在此不再赘述。

除此之外，该环境模拟装置10能够通过液体注入装置3和气体注入装置5将液体和气体调配分离，可将一般空气与液体混合，可将高含氧气体与液体混合，也可将惰性气体与液体混合，这样就可以获得腐蚀液体溶解气体状态对试件的飞溅腐蚀疲劳过程的影响。

在本实施例中，如图1所示，液体注入装置3包括蓄液箱31、连通蓄液箱31与测试箱2的且带注液泵32a的注入管路32和连通蓄液箱31与测试箱2的回流管路33。在注液泵32a的作用下，蓄液箱31内的液体可通过注入管路32进入到测试箱2内，并通过回流管路33流回到蓄液箱31，实现液体在蓄液箱31与测试箱2之间的循环运动。为了配合注液泵32a的作业，在回流管路33内可设有增压泵33a。通过对注液泵32a的转速和停开的控制可在蓄液箱31内模拟出液体环境中至少一种流动状态，例如平流、波浪、海浪、潮汐或飞溅等流动状态。也就是说，注入管路32向蓄液箱31内的注入方式可决定液体环境中的流动状态，下面以两个实施例来详述说明。

在图1所示的实施例中，液体注入装置3还包括设在测试箱2内并与注入管路32相连的喷液嘴34。喷液嘴34通过稳定喷射方式可模拟液体环境中的平流状态，而通过强烈、强弱交替或间断地喷射方式，可有效地模拟液体环境中的波浪、海浪、潮汐或飞溅等震荡的流动状态。

在一个未示出的实施例中，注入管路32通过开设在测试箱2上的出口与测试箱2相连通。实验者通过对注液泵32a的控制来调整出口的流速和流动状态(例如强弱交替流动)，同样能够促使实验液体在蓄液箱31内形成模拟液体环境中的平流、波浪、海浪、潮汐或飞溅等等运动状态。其中，飞溅状态是由出口喷出的液体撞击测试箱2的内壁而产生。

据目前统计，飞溅状态对试件9的腐蚀程度有着显著的影响，飞溅状态对试件9的腐蚀速率是试件9全部浸没在液体环境中的10倍，因此研究试件9在气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境下的疲劳强度是有重要意义的。为了更好地模拟由气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境，该环境模拟装置10还包括设在测试箱2内的溅液板35，以用于促使由液体注入装置3注入到测试箱2内的实验液体飞溅到试件9上。其中，所谓的溅液板35可选为带有许多凹凸结构的板体，或者自动喷淋灭火装置中的喷嘴下游的溅液挡板。

在图1所示的实施例中，溅液板35设在测试箱2内喷液嘴34喷射区域中，喷液嘴34直接朝向该溅液板35进行喷射，并在溅液板35的作用下促使由液体注入装置3注入到测试箱2内的实验液体飞溅到试件9上，由此可以有效模拟液体环境中的飞溅状态，使得实验者可研究试件9在气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境中的疲劳强度。

在上面所述的未示出实施例中，溅液板35设置在测试箱2上的出口的下游，以便出口的流出的液体直接撞击溅液板35，并在溅液板35的作用下促使由液体注入装置3注入到测试箱2内的实验液体飞溅到试件9上，由此同样可以有效模拟液体环境中的飞溅状态，使得实验者可研究试件9在气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境中的疲劳强度。

在一个优选的实施例中，开设在测试箱2上的出口用于形成液体环境中的平流、波浪、海浪、潮汐中至少一种震荡运动状态，而喷液嘴34和溅液板35的组合用于形成液体环境中的飞溅运动状态，这样能够更复杂地模拟由气体环境和液体环境所组成的复杂环境。

考虑到温度对试件9在液体环境中飞溅区的腐蚀疲劳强度的影响较大，液体注入装置3还可包括用于加热实验液体的加热器6。加热器6可设置在蓄液箱31、测试箱2或液体注入装置3的管路中。加热器6优选选为电热丝。加热器6对实验液体进行加热，以使实验液体的温度与待模拟液体环境的温度相同，促使模拟环境更贴近真实环境。

现有技术模拟的飞溅状态依赖于搅拌装置来实现，这样模拟装置的测试箱的体积需要很大的体积和较为复杂的结构。因此，环境模拟装置10的测试箱相比于现有技术的测试箱具有更小的体积和更简单的结构，即便整体相比也同样具有更小的体积和更简单的结构。

在本实施例中，气体注入装置5包括储气箱51、通气式连接在测试箱2与储气箱51之间的注气泵52，以及与储气箱2相连的排气机构53。其中，通气式连接优选为管路连接，使得储气箱51与测试箱2之间的气体可随压差变化而做相应的运动。在注气泵52与排气机构53的协同作用下，注气泵52不仅能够模拟气体环境中的风速，而且还能够影响储气箱51内气体环境中的流动状态，以便更真实地模拟待模拟气体环境。

在未示出的实施例中，排气机构53可选为开设在储气箱51上并与外界大气连通的开口。在图1所示的实施例中，排气机构53包括同时连通与储气箱2和外界大气的抽气泵(未示出)。由此抽气泵可帮助注气泵52调整储气箱51内气体环境中的风速。为了避免污染环境，在抽气泵的送风口可连接空气过滤器，以便净化排出的气体。

在本实施例中，该环境模拟装置10还包括用于控制气体注入装置5的注入速度和液体注入装置3的注入速度的控制器40。控制器40可选为计算机和变频器的组合，或滑动电阻器等能够改变电压和/或频率的装置。通过改变各泵接受的电压和/或频率可有效改变各泵的转速，从而达到控制气体注入装置5的注入速度和液体注入装置3的注入速度的目的。

该环境模拟装置10还可包括开设在测试箱2上的能够允许引伸计的测试头插入测试箱2的第一测试孔4。第一测试孔4可为一个直径较大的圆形孔，或两个直径较小的方形或圆形孔。当引伸计的测试头伸入到测试箱2内而与试件9相连时，引伸计可准确地检测试件9拉伸或弯曲变形过程中所产生的疲劳强度，有助于实验者研究试件9在气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境下的疲劳强度。其中试件9的弯曲变形可由立式疲劳试验机或其他设备实施。

事实上，海洋结构、湖泊结构和河流结构中大多数的部件主要承受弯曲载荷，若能够准确地研究试件9在承受弯曲载荷情况下的疲劳强度，那么对上述结构适应能力和使用寿命的准确评估有着重大意义。如图1和图2所示，该环境模拟装置10还可包括开设在测试箱2上能够允许疲劳试验机20的压头201插入到测试箱内的第二测试孔7。在实验过程中，试件9的两端被疲劳试验机20的两个夹具202夹合或支撑，然后通过疲劳试验机20的压头201下压试件9，以对试件9施加弯曲载荷。通过这种方式，环境模拟装置10不仅方便拉伸载荷加载装置(例如卧式疲劳试验机)对试件9施加拉伸载荷，而且还可以方便立式疲劳试验机对试件9施加弯曲载荷。本领域技术人员可根据待测结构所受的载荷来选择适当的载荷加载装置，以便更真实地模拟待测结构所受的载荷。

在本实施例中，测试箱2可由具有通孔8的上箱体21和下箱体22组成。其中上箱体21由柔性材料制成，而下箱体22由硬质材料制成。柔性的上箱体21不仅可以保证试件9与通孔8之间具有较佳的密封效果，而且还可以保证试件9能够进行顺利的弯曲变形。硬质的下箱体22能够为测试箱2提供一定的支撑能力，防止测试箱2产生严重的扁塌，同时也便于安装各个管路、喷液嘴34和溅液板35等部件。优选地，第一测试孔4和第二测试孔7也形成在上箱体21上，有利于保证孔内部件与孔壁之间具有较高的密封效果。

在一个优选的实施例中，上箱体21和下箱体22的体积选为测试箱2的整体体积的1/2。当然，本领域技术人员也可根据实际需要进行改变上箱体21和下箱体22的体积。上箱体21与下箱体22之间的连接优选为粘接，以保证两者之间具有较高的密封效果。

在一个优选的实施例中，所述柔性材料为聚酰亚胺，硬质材料为聚氯乙烯。上箱体21由透明柔性的聚酰亚胺制成，通过这种方式一方面可便于把光照射到测试箱2内，使得测试箱2内的模拟环境更加贴近真实环境，另一个方面可以直接观测测试箱2内的器件是否正常工作。此外，柔性材料也可选为透明橡胶或硅胶，而硬质材料可选为其他树脂材料或金属材料。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备100，详见图3。如图3所示，该疲劳试验设备100包括上述实施例中任一种所述的环境模拟装置10和用于向试件9施加载荷并测量试件9的疲劳强度的施载测量装置。

在一个未示出的实施例中，施载测量装还包括能够通过试件9的端部对试件9施拉伸载荷的拉伸载荷加载装置30，以及用于测量试件9的传感器(未显示)和用于计算试件9的疲劳强度的处理器(优选为计算机)。施载测量装置中的拉伸载荷加载装置30能够通过夹具31轻松地夹持试件9的两端并拉伸试件9，使得传感器可对试件9的疲劳强度进行准确的测试，并把检测信号传输给施载测量装置中的处理器，待处理器计算完成后把施加的疲劳强度结果输出，以方便实验者获知。

在一个未示出的实施例中，该疲劳试验设备100包括引伸计。引伸计的测试头能够插入测试箱2的第一测试孔4并进入到测试箱2内与试件9相连，使得引伸计可检测试件9在弯曲变形过程中产生的疲劳强度，且有助于实验者研究试件9在气体环境和含有飞溅状态的液体环境所组成的复杂环境下的疲劳强度。试件9的弯曲变形由现有弯曲疲劳加载装置、例如立式疲劳试验机来实施。

事实上，海洋结构、湖泊结构和河流结构中大多数的部件主要承受弯曲载荷，若能够准确地研究试件9在承受弯曲载荷情况下的疲劳强度，那么对上述结构适应能力和使用寿命的准确评估有着重大意义。在图2所示的实施例中，施载测量装置包括立式疲劳试验机20，试件9的两端被立式疲劳试验机20的两个夹具202夹合或支撑，然后通过疲劳试验机20的压头201下压试件9，以对试件9施加弯曲载荷。因此，该疲劳试验设备100能够研究试件9在模拟环境中、在所受弯曲负载条件下的疲劳强度。

综上可知，根据本发明的第一方面所述的用于试件疲劳试验的环境模拟装置10不仅能够模拟由气体环境与液体环境所组成的复杂环境，而且还可以方便还能够为施载测量装置中的拉伸载荷加载装置提供便利的测量条件。同时，根据本发明的第二方面所述的用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备100能够在模拟的复杂环境(由气体环境与液体环境所组成)中测量试件9的疲劳强度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于试件疲劳试验的环境模拟装置，其特征在于，包括：

用于容纳试件的测试箱，在所述测试箱的侧壁上开设有能够分别允许所述试件的两端穿出的两个通孔；

用于向所述测试箱内注入实验气体以模拟气体环境的气体注入装置；以及

用于向所述测试箱内注入实验液体以模拟液体环境中至少一种流动状态的液体注入装置。

2.根据权利要求1所述的环境模拟装置，其特征在于，还包括设在所述测试箱内的溅液板，以用于促使由所述液体注入装置注入到所述测试箱内的实验液体飞溅到所述试件上。

3.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，所述液体注入装置包括蓄液箱和连通所述蓄液箱与测试箱的且带注液泵的注入管路，以及连通所述蓄液箱与测试箱的回流管路。

4.根据权利要求3所述的环境模拟装置，其特征在于，所述液体注入装置还包括：设在所述测试箱内并与所述注入管路相连的喷液嘴，和/或用于加热所述实验液体的加热器。

5.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，所述气体注入装置包括储气箱、通气式连接在所述测试箱与储气箱之间的注气泵和与所述储气箱相连的排气机构。

6.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，所述测试箱由具有所述通孔的上箱体和下箱体组成，所述上箱体由柔性材料制成，所述下箱体由硬质材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，还包括：开设在所述测试箱上的能够允许引伸计的测试头插入所述测试箱内的第一测试孔；和/或开设在所述测试箱上能够允许立式疲劳试验机的压头插入到所述测试箱内的第二测试孔。

8.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，还包括用于控制所述气体注入装置的注入速度和所述液体注入装置的注入速度的控制器。

9.根据权利要求1或2所述的环境模拟装置，其特征在于，所述回流管路可拆卸地连接在所述蓄液箱与测试箱之间。

10.一种用于测量试件疲劳强度的疲劳试验设备，其特征在于，包括根据权利要求1到9中任一项所述的环境模拟装置。