CN105738223B - 一种单轴bree解的实验装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单轴BREE解的实验装置及其测试方法，实验装置主要包括高温蠕变疲劳试验机、上横梁、下横梁、试样夹具、第一、第二杆件试样、加热炉、高温位移传感器、温度控制器和测量系统，上横梁和下横梁固定在高温蠕变疲劳试验机上，上横梁和下横梁之间设置有两个平行放置的试样夹具，第一、第二杆件试样固定在两个试样夹具上；第一、第二杆件试样上设置有加热炉及高温位移传感器，温度控制器与第一、第二杆件试样连接，测量系统与高温蠕变疲劳试验机连接。测试方法通过高温位移传感器测试杆件试样的位移变形，得到塑性应变和循环次数的关系，从而得到结构安定极限。本发明可用于单轴载荷条件下及类似工况下结构的安定极限的测试和评估。

Description

一种单轴BREE解的实验装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及单轴BREE解的测试领域，具体涉及一种单轴BREE解的实验装置及其测试方法，尤其适用于单轴载荷条件下及类似工况下结构的安定极限测试和评估。
背景技术
在机械载荷和交变的热载荷组合载荷下，构件会产生永久积累的变形，这种现象一般称为热棘轮效应。热棘轮是构件常见的失效模式之一。近年来，基于失效模式的分析设计方法逐渐被认可并推广使用，限制棘轮失效的安定极限设计方法显得日益迫切。很早以前Bree将薄壁圆筒简化为单轴梁模型进一步阐述了热棘轮变形机理，推导了循环热—机载荷下薄壁圆筒安定极限载荷的理论公式，并建立了著名的Bree图，其中，横坐标为一次应力(周向应力)与初始屈服应力的比值，纵坐标为二次应力(热应力)与初始屈服应力的比值，该图至今仍是ASME锅炉与压力容器第Ⅲ卷和第Ⅷ卷第二分册及EN13445-3非直接火压力容器等规范评定薄壁圆筒热棘轮的基本方法。
经典的BREE解为：
mt＝4[1-mp]0.5≤mp≤1.0 (1)
mt＝1/(mp)0.0≤mp≤0.5 (2)
其中mt表示二次应力(热应力)与初始屈服应力的比值，mp表示一次应力(周向应力)与初始屈服应力的比值。
截止目前，承受循环热机械载荷下结构的安定极限大多是数值模拟得到的，尚缺乏有效的实验测试研究，而经典的BREE解是根据理想的弹塑性理论得到的，因此会偏于保守且没有考虑实际情况下温度对材料性能的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有BREE解研究存在的上述不足，提供一种单轴BREE解的实验装置及其测试方法，用于测试单轴条件下循环热机械载荷下结构的安定极限，为单轴载荷条件下及类似工况下结构的安定极限的测试和评估提供依据。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种单轴BREE解的实验装置，主要包括高温蠕变疲劳试验机、上横梁、下横梁、试样夹具、第一杆件试样、第二杆件试样、加热炉、高温位移传感器、温度控制器和测量系统，上横梁和下横梁通过支撑杆件链接并固定在高温蠕变疲劳试验机的夹具内，上横梁和下横梁之间设置有两个平行放置的试样夹具，第一杆件试样、第二杆件试样分别固定在两个试样夹具上；第一杆件试样、第二杆件试样上分别设置有一个加热炉以及一个用来测试变形的高温位移传感器，温度控制器通过热电偶与第一杆件试样、第二杆件试样连接，测量系统与高温蠕变疲劳试验机连接、用于控制蠕变疲劳试验机给第一杆件试样和第二杆件试样施加的载荷。
按上述方案，每个高温位移传感器包括一个上卡箍、一个下卡箍、两根高温引伸杆和两个光栅位移传感器，两根高温引伸杆连接上卡箍和下卡箍，两个光栅位移传感器分别对应设置在一根高温引伸杆上。
按上述方案，所述支撑杆件的光洁度以及上横梁、下横梁的开孔表面和支撑杆件表面的光洁度保证支撑件在上横梁、下横梁之间上下自由伸缩，不约束热膨胀。
本发明还提供了一种上述单轴BREE解的实验装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将两根平行放置的第一杆件试样、第二杆件试样作为测试对象，用试样夹具固定好第一杆件试样、第二杆件试样后，装好高温位移传感器，通过热电偶连接第一杆件试样、第二杆件试样和温度控制器，合上加热炉；
2)准备就绪后，由温度控制器控制温度载荷，第一杆件试样、第二杆件试样承受一个稳定的一次载荷F和一个循环的二次载荷的组合载荷，分别对应于一个一次薄膜应力和一个循环的二次应力，其中稳定的一次载荷F由测量系统控制高温蠕变疲劳试验机施加(测量系统可以调节载荷F的大小)，循环的二次载荷通过加热炉使第一杆件试样、第二杆件试样受热膨胀产生的伸长差施加；
3)通过高温位移传感器测试第一杆件试样、第二杆件试样的位移变形，所有的数据结果由电脑采集，最后得到第一杆件试样、第二杆件试样的塑性应变和循环次数的关系，从而得到结构的安定极限。
按上述方案，所述步骤3)中，如果后一个循环数对应的塑性应变与前一个循环数的塑性应变的差小于10-4，该组合载荷是安定的，塑性应变的差大于或等于10-4则为棘轮失效状态。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明结合现有的理论设计出这套单轴BREE解的实验装置，提出的实验装置将其模型简化为两根平行的杆件模型，这种简化更加便于实验研究，通过实验数据得到的结果比较客观，更加接近实际情况，使其更具有工程价值；
2、本发明提出的测试方法，用于测试单轴条件下循环热机械载荷下结构的安定极限，为单轴载荷条件下及类似工况下结构的安定极限的测试和评估提供依据，具有良好的工程价值。
附图说明
图1是本发明单轴BREE解的实验装置的整体结构示意图；
图2是本发明单轴BREE解的实验装置的局部放大图；
图3是本发明单轴BREE解的实验装置的局部受力简化示意图；
图中，1-高温蠕变疲劳试验机，2-上横梁，3-试样夹具，4-第一杆件试样，5-第一杆件试样，6-加热炉，7-高温位移传感器，8-下横梁，9-支撑杆件，10-上卡箍，11-下卡箍，12-高温引伸杆，13-光栅位移传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
参照图1所示，本发明所述的单轴BREE解的实验装置，主要包括高温蠕变疲劳试验机1、上横梁2、下横梁8、试样夹具3、第一杆件试样4、第二杆件试样5、加热炉6、高温位移传感器7、温度控制器和测量系统，高温蠕变疲劳试验机1可以是MTS,RPL50，INSTRON等型号，上横梁2和下横梁8通过支撑杆件9链接并固定在高温蠕变疲劳试验机1的夹具内，上横梁2和下横梁8之间设置有两个平行放置的试样夹具(3)，第一杆件试样4、第二杆件试样5分别固定在两个试样夹具3上；第一杆件试样4、第二杆件试样5上分别设置有一个加热炉6以及一个用来测试变形的高温位移传感器7，温度控制器通过热电偶与第一杆件试样4、第二杆件试样5连接，测量系统与高温蠕变疲劳试验机1连接、用于控制蠕变疲劳试验机给第一杆件试样4和第二杆件试样5施加的载荷。
参照图2所示，每个高温位移传感器7包括一个上卡箍10、一个下卡箍11、两根高温引伸杆12和两个光栅位移传感器13，两根高温引伸杆12连接上卡箍10和下卡箍11，两个光栅位移传感器13分别对应设置在一根高温引伸杆12上。
支撑杆件9的光洁度以及上横梁2、下横梁8的开孔表面和支撑杆件9表面的光洁度保证支撑件9在上横梁2、下横梁8之间上下自由伸缩，不约束热膨胀。光洁度很高，这样可以减小摩擦力，不能约束热膨胀，但能保证第一杆件试样4、第二杆件试样5的共面特征。
工作时，单轴BREE解的实验装置的测试方法，包括如下步骤：
1)将两根平行放置的第一杆件试样4、第二杆件试样5作为测试对象，用试样夹具3固定好第一杆件试样4、第二杆件试样5后，装好高温位移传感器7，通过热电偶连接第一杆件试样4、第二杆件试样5和温度控制器，合上加热炉6；
2)准备就绪后，由温度控制器控制温度载荷，第一杆件试样4、第二杆件试样5承受一个稳定的一次载荷F和一个循环的二次载荷的组合载荷，分别对应于一个一次薄膜应力和一个循环的二次应力，其中稳定的一次载荷F由测量系统控制高温蠕变疲劳试验机1施加(测量系统可以调节载荷F的大小)，循环的二次载荷通过加热炉6使第一杆件试样4、第二杆件试样5受热膨胀产生的伸长差施加；
3)通过高温位移传感器测试第一杆件试样4、第二杆件试样5的位移变形，所有的数据结果由电脑采集，最后得到第一杆件试样4、第二杆件试样5的塑性应变和循环次数的关系，从而得到结构的安定极限。
如果后一个循环数对应的塑性应变与前一个循环数的塑性应变的差小于10-4，那么说明此组合载荷是安定的，超过10-4则为棘轮失效状态。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，可根据本发明作出各种相应的更改和变型，而所有这些相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种单轴BREE解的实验装置，其特征在于，主要包括高温蠕变疲劳试验机（1）、上横梁（2）、下横梁（8）、试样夹具（3）、第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）、加热炉（6）、高温位移传感器（7）、温度控制器和测量系统，上横梁（2）和下横梁（8）通过支撑杆件（9）链接并固定在高温蠕变疲劳试验机（1）的夹具内，上横梁（2）和下横梁（8）之间设置有两个平行放置的试样夹具（3），第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）分别固定在两个试样夹具（3）上；第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）上分别设置有一个加热炉（6）以及一个用来测试变形的高温位移传感器（7），温度控制器通过热电偶与第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）连接，测量系统与高温蠕变疲劳试验机（1）连接、用于控制蠕变疲劳试验机给第一杆件试样（4）和第二杆件试样（5）施加的载荷。
2.根据权利要求1所述的单轴BREE解的实验装置，其特征在于，每个高温位移传感器（7）包括一个上卡箍（10）、一个下卡箍（11）、两根高温引伸杆（12）和两个光栅位移传感器（13），两根高温引伸杆（12）连接上卡箍（10）和下卡箍（11），两个光栅位移传感器（13）分别对应设置在一根高温引伸杆（12）上。
3.根据权利要求1所述的单轴BREE解的实验装置，其特征在于，所述支撑杆件（9）的光洁度以及上横梁（2）、下横梁（8）的开孔表面和支撑杆件（9）表面的光洁度保证支撑杆件（9）在上横梁（2）、下横梁（8）之间上下自由伸缩，不约束热膨胀。
4.一种根据权利要求1~3任意之一所述的单轴BREE解的实验装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将两根平行放置的第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）作为测试对象，用试样夹具（3）固定好第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）后，装好高温位移传感器（7），通过热电偶连接第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）和温度控制器，合上加热炉（6）；
2）准备就绪后，由温度控制器控制温度载荷，第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）承受一个稳定的一次载荷F和一个循环的二次载荷的组合载荷，分别对应于一个一次薄膜应力和一个循环的二次应力，其中稳定的一次载荷F由测量系统控制高温蠕变疲劳试验机（1）施加，循环的二次载荷通过加热炉（6）使第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）受热膨胀产生的伸长差施加；
3）通过高温位移传感器测试第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）的位移变形，所有的数据结果由电脑采集，最后得到第一杆件试样（4）、第二杆件试样（5）的塑性应变和循环次数的关系，从而得到结构的安定极限。
5.根据权利要求4所述的单轴BREE解的实验装置的测试方法，其特征在于，所述步骤3）中，如果后一个循环数对应的塑性应变与前一个循环数的塑性应变的差小于10-4，该组合载荷是安定的，塑性应变的差大于或等于10-4则为棘轮失效状态。
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