CN106092732A - 薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，由承压固定底座、球形调心座、诱导管件劈裂基座、金属管轴向劈裂卷曲抑制板、卷曲抑制板定位螺栓、卷曲抑制板限位压簧、微型压力传感器组成，所述承压固定底座设置为圆柱体型，其上部端面与底座外边缘同心设置椭球形凹面槽，所述椭球形凹面槽边缘带中间位置按角度环形均布4个螺纹孔。同时提供一种测试方法，将试验管件竖直安放在坡面角为30°或者45°诱导管件劈裂基座上，调整试验机加载，准备试验；开启万能试验机，以0.3mm/s的速度实现对试件的准静态轴向加载，实时采集试件轴向载荷及位移、微型压力传感器电信号数据；依据试验采集数据，分析得到试件载荷‑位移曲线、抗卷曲抑制板抑制力时程曲线。

Description

薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别是薄壁金属管件吸能性能测试，尤其涉及一种薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置及测试方法。

背景技术

吸能安全防护结构，作为一种动力碰撞过程中的有效动能耗散设置，广泛应用于汽车、高速列车、矿山防冲吸能支护等领域的高效耗能系统中，应用延性金属材料或结构的有效塑性变形或韧性撕裂实现吸收(耗散)动能。

近年来，薄壁延性金属管件依靠其自身材料和结构的轴向塑性形变、韧性撕裂作为能量耗散(吸收)装置因工程需要而受到国内外学者的广泛研究。薄壁管件截面主要包括圆形、正多边形等多种形状，具有各种截面形状的薄壁管件被设计成相应的耗能结构时，依据受载工况，主要发生延性金属管件轴向劈裂(包括卷曲与抗卷曲模态)、轴向堆叠式屈曲塑性变形、扩径式塑性变形、内外翻转变形四种主要吸能模式。其中，金属管的轴向劈裂吸能模式以其长足的吸能行程和恒定载荷优势日益凸显而被广泛应用。然而，延性金属管轴向劈裂损伤吸能力学行为极为复杂、细长管件轴向压载易偏心失稳、参数繁多等问题，使得根据工程需要进行多种参数下的薄壁金属管件的吸能性能系列化试验受到制约，阻碍了延性金属薄壁管件的工程设计与应用发展。现有测试手段多为制作简易的锥式台具、简单刀具辅之万能试验机进行大致的吸能特性测量，至今未提出一种适合多种参数的延性金属管件轴向劈裂吸能特性测试的装置。现提出一种薄壁金属管件轴向劈裂吸能性能测试装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置及测试方法，适用于多种参数的延性金属管件轴向劈裂吸能特性测试，是一种结构安全可靠、结果精准的金属管件吸能性能测试装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，其特征是，由承压固定底座、球形调心座、诱导管件劈裂基座、金属管轴向劈裂卷曲抑制板、卷曲抑制板定位螺栓、卷曲抑制板限位压簧、微型压力传感器组成，所述承压固定底座设置为圆柱体型，其上部端面与底座外边缘同心设置椭球形凹面槽，所述椭球形凹面槽边缘带中间位置按角度环形均布4个螺纹孔，每两个螺纹孔分布在一条直径线上；

所述球形调心座分为两部分，下部为半椭球体，其与承压固定底座上部端面椭球形凹面槽紧密贴合；上部为柱状体，柱状体上部端面与柱体外边缘同心设有柱型槽孔；

所述诱导管件劈裂基座由圆柱型底座、基座中部导裂承压部分及具有一定高度的金属管防倾倒柱台组成；

所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板刚性板，正中心位置设置中心通孔，以便金属管件穿过，中心通孔下侧面孔口边缘设置倒角，以便金属管件撕裂卷曲管条无摩擦顺利通过中心通孔；所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板外边缘按角度环形均布4个圆形通孔，分别与承压固定底座上的4个螺纹孔相匹配，4个圆形通孔与4个螺纹孔呈上下正对分布；

所述卷曲抑制板定位螺栓为全螺纹强化螺栓，所述卷曲抑制板定位螺栓依次穿过劈裂卷曲抑制板圆形通孔、卷曲抑制板限位压簧，最后旋拧入承压固定底座螺纹孔内。

本发明提供了薄壁金属管件劈裂吸能性能测试方法，包括如下步骤:

步骤1)如权利要求1所述进行组装金属管劈裂卷曲抑制条件下的薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置；将承压固定底座放置在试验台中央位置；球形调心座安放在承压固定底座上，球形调心座半椭球体表面与承压固定底座椭球形凹面槽紧密触压，并加入适量的润滑油，实现整个装置的调心功能，保证金属管轴向受载；将坡面角为30°或者45°诱导管件劈裂基座安放在球形调心座上，诱导劈裂基座底部具有统一尺寸的圆柱型底座，其尺寸正好与球形调心座上部柱型槽孔紧密贴合、触压，4个卷曲抑制板定位螺栓依次穿过劈裂卷曲抑制板圆形通孔、卷曲抑制板限位压簧，最后旋拧入承压固定底座4个螺纹孔内，调整劈裂卷曲抑制板高度位置；

步骤2)将试验管件竖直安放在坡面角为30°或者45°诱导管件劈裂基座上，调整试验机加载，准备试验；

步骤3)开启万能试验机，以0.3mm/s的速度实现对试件的准静态轴向加载，实时采集试件轴向载荷及位移、微型压力传感器电信号数据；

步骤4)依据试验采集数据，绘制得到该试件的准静态加载条件下轴向劈裂载荷-位移曲线、吸能特性曲线、抗卷曲抑制力-位移曲线；

步骤5)分析得到结果。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以实现薄壁金属管件轴向劈裂吸能性能测试过程。一方面，不安装金属管轴向劈裂卷曲抑制板时，可实现金属管轴向劈裂自由卷曲时的吸能特性测试；另一方面，安装金属管轴向劈裂卷曲抑制板时，可实现金属管轴向劈裂卷曲抑制时的吸能特性测试，并可按需要调节抑制板的位置高度，通过微型位移传感器实现抗卷曲抑制力的实时监测，配以万能试验机数据采集系统可得到试件的载荷-位移全程曲线和吸能特性全程曲线。

2、本发明适用于圆形、正多边形截面管等多种参数、材质的金属管件的吸能性能测试，分别配合以动态加载、准静态加载试验机，可分别实现金属管在静力载荷和冲击载荷下的劈裂吸能性能测试。

3、本发明的球形调心座具备在试验测试全程中，自适应调心功能，精确保证金属管轴向受载。

4、本发明配合以万能试验机试验系统，可实时采集劈裂吸能过程中轴向载荷、位移数据，精确得到载荷-位移曲线、吸能特性曲线和试件的劈裂残余变形形态信息，实现每个试件的吸能性能综合评价和多个试件的吸能效果对比研究，为工程设计提供试验依据。

附图说明

图1为本发明的爆炸式结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明使用坡面角30°诱导管件劈裂基座的实验示意图；

图4为本发明使用坡面角45°诱导管件劈裂基座的实验示意图；

图5为本发明使用坡面角30°诱导管件劈裂基座的实验结果变化趋势图；

图6为本发明使用坡面角45°诱导管件劈裂基座的实验结果变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的技术特征、工作原理及有益效果易于理解，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但不应视为对本发明的限定。

参照图1及图2，薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，由承压固定底座7、球形调心座11、诱导管件劈裂基座8、金属管轴向劈裂卷曲抑制板9、卷曲抑制板定位螺栓6、微型压力传感器13、卷曲抑制板限位压簧4，所述承压固定底座7设置为圆柱体型，其上部端面与底座外边缘同心设置椭球形凹面槽12，所述椭球形凹面槽12边缘带中间位置按角度环形均布4个螺纹孔3，每两个螺纹孔3分布在一条直径线上；

所述球形调心座11分为两部分，下部为半椭球体，其与承压固定底座上部端面椭球形凹面槽12紧密贴合；上部为柱状体，柱状体上部端面与柱体外边缘同心设有柱型槽孔；

所述诱导管件劈裂基座8由圆柱型底座、中部基座导裂承压部分及具有一定高度的金属管防倾倒柱台组成；

所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板刚性板9，正中心位置设置中心通孔，以便金属管件穿过，中心通孔下侧面孔口边缘设置倒角，以便金属管件撕裂卷曲管条无摩擦顺利通过中心通孔；所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板9外边缘按角度环形均布4个圆形通孔10，分别与承压固定底座7上的4个螺纹孔3相匹配，4个圆形通孔10与4个螺纹孔3呈上下正对分布；

所述卷曲抑制板定位螺栓6为全螺纹强化螺栓，所述卷曲抑制板定位螺栓6依次穿过劈裂卷曲抑制板圆形通孔10、卷曲抑制板限位压簧4，最后旋拧入承压固定底座7上的螺纹孔3内。

实施例1

本实施例是应用本发明，即一种薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，完成对Q460材质金属圆管的准静态加载、自由卷曲劈裂吸能特性测试。

本实施例为具体说明，选用5个Q460金属圆管试件，每个试件具体尺寸为内径Φ26mm、壁厚4mm、长150mm。为有助于启动轴向劈裂过程，在金属管一侧管口边缘处轴向加工4mm长的预裂切口，其数目为6个。采用万能试验机加载速度设置为0.3mm/s，选用坡面角30°诱导管件劈裂基座。

步骤1：组装如上述所述的金属管劈裂自由卷曲条件下的薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置。将承压固定底座7放置在试验台中央位置；球形调心座11安放在承压固定底座7上，球形调心座11半椭球体表面与承压固定底座7椭球形凹面槽12紧密触压，并加入适量的润滑油，实现整个装置的调心功能，保证金属管轴向受载；将坡面角30°诱导管件劈裂基座安放在球形调心座11上，诱导劈裂基座8底部具有统一尺寸的圆柱型底座，其尺寸正好与球形调心座上部柱型槽孔紧密贴合、触压。

步骤2：将试验管件竖直安放在坡面角30°诱导管件劈裂基座上，调整试验机加载-数据采集系统，准备试验。

步骤3：开启万能试验机，以0.3mm/s的速度实现对试件的准静态轴向加载，实时采集载荷及位移电信号数据。

步骤4：依据试验采集数据，采集数据如图3中标记的量，再应用Origin软件绘制得到该试件的准静态加载条件下轴向劈裂载荷-位移曲线和吸能特性曲线，同时得到内径Φ26mm、壁厚4mm的Q460圆管自由卷曲劈裂残余变形形态图，其实验结果参照图5。

实施例2

本实施例是应用本发明，即一种薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，完成对Q235材质金属圆管的准静态加载、卷曲抑制劈裂吸能特性测试。

本实施例为具体说明，选用5个Q235金属圆管试件，每个试件具体尺寸为内径Φ26mm、壁厚3mm、长150mm。为有助于启动轴向劈裂过程，在金属管一侧管口边缘处轴向加工4mm长的预裂切口，其数目为4个。采用万能试验机加载速度设置为0.3mm/s，选用坡面角45°诱导管件劈裂基座。

步骤1：如组装如上述所述的金属管劈裂自由卷曲条件下的薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置。将承压固定底座7放置在试验台中央位置；球形调心座11安放在承压固定底座7上，球形调心座11半椭球体表面与承压固定底座7椭球形凹面槽12紧密触压，并加入适量的润滑油，实现整个装置的调心功能，保证金属管轴向受载；将坡面角45°诱导管件劈裂基座安放在球形调心座11上，诱导劈裂基座底部具有统一尺寸的圆柱型底座，其尺寸正好与球形调心座上部柱型槽孔紧密贴合、触压。4个卷曲抑制板定位螺栓6依次穿过卷曲抑制板测力压簧、劈裂卷曲抑制板圆形通孔10、卷曲抑制板限位压簧4，最后旋拧入承压固定底座4个螺纹孔3内，调整劈裂卷曲抑制板高度位置，实现抗卷曲功能。

步骤2：将试验管件竖直安放在坡面角45°诱导管件劈裂基座上，调整试验机加载-数据采集系统，准备试验。

步骤3：开启万能试验机，以0.3mm/s的速度实现对试件的准静态轴向加载，实时采集轴向载荷及位移、抗卷曲抑制力电信号数据。

步骤4：依据试验采集数据，采集数据如图4中标记的量，再应用Origin软件绘制得到该试件的准静态加载条件下轴向劈裂载荷-位移曲线、吸能特性曲线、抗卷曲抑制力-位移曲线，同时得到内径Φ26mm、壁厚3mm的Q235圆管卷曲抑制劈裂残余变形形态图，其结果参照图6。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置，其特征是，由承压固定底座、球形调心座、诱导管件劈裂基座、金属管轴向劈裂卷曲抑制板、卷曲抑制板定位螺栓、卷曲抑制板限位压簧、微型压力传感器组成，所述承压固定底座设置为圆柱体型，其上部端面与底座外边缘同心设置椭球形凹面槽，所述椭球形凹面槽边缘带中间位置按角度环形均布4个螺纹孔，每两个螺纹孔分布在一条直径线上；

所述球形调心座分为两部分，下部为半椭球体，其与承压固定底座上部端面椭球形凹面槽紧密贴合；上部为柱状体，柱状体上部端面与柱体外边缘同心设有柱型槽孔；

所述诱导管件劈裂基座由圆柱型底座、中部基座导裂承压部分及具有一定高度的金属管防倾倒柱台组成；

所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板为刚性板，正中心位置设置中心通孔，以便金属管件穿过，中心通孔下侧面孔口边缘设置倒角，以便金属管件撕裂卷曲管条无摩擦顺利通过中心通孔；所述金属管轴向劈裂卷曲抑制板外边缘按角度环形均布4个圆形通孔，分别与承压固定底座上的4个螺纹孔相匹配，4个圆形通孔与4个螺纹孔呈上下正对分布；

所述卷曲抑制板定位螺栓为全螺纹强化螺栓，所述卷曲抑制板定位螺栓依次穿过劈裂卷曲抑制板圆形通孔、卷曲抑制板限位压簧，最后旋拧入承压固定底座螺纹孔内。

2.薄壁金属管件劈裂吸能性能测试方法，其特征是，包括如下步骤:

步骤1)如权利要求1所述进行组装金属管劈裂卷曲抑制条件下的薄壁金属管件劈裂吸能性能测试装置；将承压固定底座放置在试验台中央位置；球形调心座安放在承压固定底座上，球形调心座半椭球体表面与承压固定底座椭球形凹面槽紧密触压，并加入适量的润滑油，实现整个装置的调心功能，保证金属管轴向受载；将坡面角为30°或者45°诱导管件劈裂基座安放在球形调心座上，诱导劈裂基座底部具有统一尺寸的圆柱型底座，其尺寸正好与球形调心座上部柱型槽孔紧密贴合、触压，4个卷曲抑制板定位螺栓依次穿过劈裂卷曲抑制板圆形通孔、卷曲抑制板限位压簧，最后旋拧入承压固定底座4个螺纹孔内，调整劈裂卷曲抑制板高度位置；

步骤2)将试验管件竖直安放在坡面角为30°或者45°诱导管件劈裂基座上，调整试验机加载，准备试验；

步骤3)开启万能试验机，以0.3mm/s的速度实现对试件的准静态轴向加载，实时采集试件轴向载荷及位移、微型压力传感器电信号数据；

步骤4)依据试验采集数据，绘制得到该试件的准静态加载条件下轴向劈裂载荷-位移曲线、吸能特性曲线、抗卷曲抑制力-位移曲线；

步骤5)分析得到结果。