CN106092767A - 一种输流软管弯曲刚度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种输流软管弯曲刚度的测量装置及测量方法。在输流软管弯曲刚度的测量装置包括一对导轨及安放该导轨上的两个实验台；两个试验台之间构成了实验段。压力控制器套装在所述输流管的流体入口端的外表面。拉力机位于实验段的流体出口端一侧，通过套装在输流管中段的双耳套管给该输流管加载。加力筒吊挂在所述测力计的下端。距离测量仪安放在加力筒下方。相机的镜头高度与所述输流管轴向的高度相同，并位于两个实验台之间的1/2处。本发明测量的输流软管弯曲刚度包括测量输流管在空管状态时的弯曲刚度、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度和测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度。本发明具有精度高、测量范围大的特点。

Description

一种输流软管弯曲刚度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于输流软管弯曲刚度测量技术领域，涉及一种对输流软管在不同状态时弯曲刚度的测量方法和测量装置。

背景技术

输流软管广泛应用于工业各领域，在输流管的静力学和动力学分析时都需要提前获得其弯曲刚度值。但对于非单一材料组成的输流软管来说其结构本身的弹性模量不能通过对单一材料的弹性模量计算来获得，而且组成输流软管的不同材料在其横截面上成相互掺杂的非均匀分布，其截面惯性距也难以获得；同时，输流管在空管、含静止液体和不同压力下流体时其弯曲刚度也同样存在差别，所以利用传统的计算方法不能有效的获得一般输流软管在不同状态时的弯曲刚度。

发明专利CN103499497A中提供一种架空线弯曲刚度的测量装置，该装置可以用于测量多股线缆缠绕的架空线的弯曲刚度。但其计算公式中并未考虑架空线自身重力对计算公式的影响。利用有限元方法采用专利CN103499497A所提供的方法计算实验段轴向中点所加载的横向力与钢丝绳自重之比为0.01、0.05、0.1、0.5时单股钢丝绳的弯曲刚度，其结果与理论值的偏差分别为0.67％、-6.49％、-9.52％、-35.66％。同时，采用专利CN103499497A所提供的方法计算空管状态的聚乙烯软管，发现在输流管自重与中点施加的横向集中力之比为0.1113时，利用CN103499497A计算的弯曲刚度与理论值的误差为7.35％。可见CN103499497A所提供的方法和计算公式对结构自重与横向力之比在不可忽略情况时并不合适，尤其对结构本身自重就可以引起很大的横向位移的类似输流管的细长结构来说更不合适。因此，其仅适用于结构自重相对于横向加载的集中力可以忽略的结构。

专利CN203965260U提供了一种软管的弯曲刚度及扭转刚度测量装置，其利用弯曲刚度和扭转刚度与结构在受到弯矩和扭矩作用时的关系求出软管的弯曲刚度和扭转刚度。但其仅能将软管固定在测量装置上，而且不能测量输流软管在含内部液体和不同内压下的弯曲刚度。该发明专利的弯曲刚度和扭转刚度的计算公式仅适用于结构发生小位移情况，而某些实际应用软管的抗弯能力很弱，在很小的外力甚至自重作用下都会产生较大的位移，这时必须考虑大位移影响，其线性公式就不再适用了。所以该发明专利的实际测量精度并不高。

专利CN105277448A提供了一种金属软管刚度测量装置，可以用来测量金属材质软管的弯曲刚度。但该装置仅能用于金属类的软管的弯曲刚度测量，而对于主要由非金属材料组成的输流软管并不合适，同时该装置结构部件较多；测量中由于是沿金属软管的径向施加压力或拉力使金属软管发生弯曲，可能导致金属软管的破裂，因此其存在较大的安全隐患。

目前，测量输流软管弯曲刚度的实验装置和测量方法都是在输流管空管状态下进行的，并且其计算方法并未考虑到结构的自重对测量结果的影响，计算公式仅适用于小位移状态，但某些实用输流软管本身在很小外力作用下就产生较大的位移，所以现存方法测量输流管弯曲刚度的精度较低。

发明内容

为克服现有技术中存在的测量精度较低的不足，本发明提出了一种输流软管弯曲刚度的测量装置及测量方法。

本发明提出的输流软管弯曲刚度的测量装置包括压力控制器、固定套管、固定支座、两个实验台、吊钩套管、测力计、加力筒、基准平板、距离测量仪、支架、相机、双耳套管、直线导轨、拉力机、定滑轮组、一对导轨和输流管。其中：

所述的一对导轨固定在地面。两个实验台通过支撑架安放在所述一对导轨上；两个试验台之间构成了实验段。输流管的中段置于所述两个实验台的上表面，并且该输流管的一端与水池的出水口连通，另一端置于所述水池内。在所述输流管中段固定在两个实验台的台面上。所述压力控制器套装在所述输流管的流体入口端的外表面，用于调节实验段内流体的压力；所述压力控制器调节压力的范围为0～1mpa。

所述定滑轮组位于输流管流体出口端实验台的一侧，并将该定滑轮组拉绳的一端与拉力机的测力器连接；定滑轮组拉绳的另一端与套装在输流管中段的双耳套管上的双耳连接。测力计通过带钩套管吊挂在所述输流管的中段，并位于两个实验台之间的1/2处。加力筒吊挂在所述测力计的下端。基准平板固定在所述加力筒的下方；距离测量仪安放在所述支架的上表面；基准平板的下表面与距离测量仪的上表面之间的间距根为120mm。相机的镜头高度与所述输流管轴向的高度相同，并位于两个实验台之间的1/2处。

在固定所述输流管中段时，通过固定套2将该输流管固定在位于流体入口端的实验台上的固定支座上，通过双耳套管将该输流管固定在位于流体出口端的实验台上的套管支座上。

所述固定套管的内径与所述输流管的外径相同。在圆环的外圆周上凸出有连接片。在该连接片下端有与固定支座连接的螺栓孔。所述固定支座为块状，该固定支座外表面下端有连接法兰，该固定支座上表面有与固定套管连接的螺栓孔。用双头螺栓将所述固定套管与固定支座固连。

所述双耳套管的内径与所述输流管的外径相同。在圆环的外圆周上凸出有连接片。在该连接片下端有与套管支座连接的螺纹盲孔。在圆环的外圆周上对称的分布有一对耳环，并且所述耳环与所述连接片在该圆环圆周上的夹角为90°。

所述直线导轨外表面下端有连接法兰，上表面有用于安装滑块的开槽；所述滑块由上表面的平台和滚轮组成；通过双头螺栓将所述滑块平台与双耳套管固连。所述开槽与该导轨内部的滚轮槽贯通。在所述滚轮槽内安放有滚轮，滚轮通过滚轮安装杆与所述滑块的平台固连。

本发明还提出一种利用所述测量装置测量输流软管弯曲刚度的方法。所述测量输流软管弯曲刚度包括测量输流管在空管状态时的弯曲刚度、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度和测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度。

具体过程是：

第一步、测量输流管在空管状态时的弯曲刚度，测量步骤如下：

步骤1.组装和调试测量装置，确定实验段的长度为l＝0.5m，并在实验段安装与输流管外径相同的钢质管道；通过距离测量仪测量此时该距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₀。通过相机拍摄此时实验段钢质管道的形状。

步骤2.将钢质管道换为实验用的输流管；在输流管处于空管状态下，将定滑轮组中拉绳的一端与双耳套管的耳环相连，另一端与拉力机上的测力计相连。

步骤3.通过拉力机对输流管加载拉力P；加载的拉力P＝200N。所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管。

步骤4.向加力筒中加水至加力筒所连接的测力计的读数，显示力Q＝20N。微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤5.打开距离测量仪记录此时距离测量仪下表面与基准平板上表面之间的距离值δ₁，打开相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点以及测力计在输流管上新的位置点。

步骤6.输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₁，对比测力计在步骤1中的原始位置点与相机在步骤5所拍摄到的测力计位置点，得到该测力计的位移Δx。通过公式修正位移δ^*：

δ＝δ^*+kΔx

公式中，δ^*是输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值；k是k为处的变形曲线的斜率值；δ是修正后的输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值。

将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤7.根据得到的中间量调整实验段长度l。具体是：

若的值大于0.5，以0.05m的步长减小所述实验段的长度l；若的值小于0.1，以0.05m的步长增加所述实验段的长度l。

按照新确定的实验段长度，重复步骤2～6，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤8.确定输流管空管状态时的弯曲刚度。将得到的的值位于0.1～0.5范围内的l和δ值代入公式：

$\frac{4P\mathrm{\δ}}{Ql}=(1+\frac{\mathrm{\η}}{2})\[1+\frac{2(1-\cosh (\mathrm{\λ}))}{\mathrm{\λ}\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}\],$

其中

式中G为实验段输流管和内部流体的自重之和；Ψ为弯曲刚度；η为实验段输流管和内部流体的自重之和与加载在实验段输流管上的拉力P之比；λ为拉力P无量纲化所得无量纲参数。

利用二分法计算出λ值，则输流管空管状态时的弯曲刚度为至此，完成了对输流管空管状态时的弯曲刚度的测量。

第二步、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度，具体步骤如下：

步骤1.按照测量输流管空管时弯曲刚度时的步骤1～4进行操作，得到实验段钢质管道的形状，并完成对输流管加载拉力P和给加力筒中加水。所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管。

步骤2.打开水泵，待实验段输流软管内充满水之后关闭水泵；微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤3.打开距离测量仪记录此时距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₂，通过相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点。

步骤4.输流管内部含静止液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₂，对比测力计在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3中所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx。按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤5.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤7中所述方法调整实验段长度l。按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤6.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤8计算含静止流体时实验段输流管的弯曲刚度值。至此，完成对输流管在内部含静止液体时弯曲刚度的测量。

第三步、利用上述装置测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度，具体步骤如下：

步骤1.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤1～4进行操作，得到实验段钢质管道的形状，并完成对输流管加载拉力P和给加力筒中加水。所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管。

步骤2.打开水泵，并调节压力控制器使压力表的示数为0.1mpa，微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤3.打开距离测量仪记录此时距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₃，打开相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点。

步骤4.输流管内部含压力0.1mpa的流动液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₃，对比测力计在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3中所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx。按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤5.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤7所述方法调整实验段长度l。按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤6.调节压力控制器使压力表的压力值示数为0.2mpa，微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；重复本次实验的步骤3～5。

步骤7.重复本次实验步骤6，完成内压为0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa和0.6mpa时输流管的弯曲刚度测量，关闭水泵。

步骤8.将满足值位于0.1～0.5范围内的各内部流体压力时的l和δ值代入公式中，利用二分法计算出λ值，则输流管不同内压状态时的弯曲刚度为至此，完成输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度的测量。

本发明的实验过程中通过水泵和压力控制器使输流管实验段处于三种状态，即空管、内部含静止流体、内部含不同压力流动流体状态；在输流管实验段可轴向移动一端沿轴向施加拉力P、输流管实验段轴线中点加载沿重力方向横向力Q。通过输流管实验段中点位置处正下方的距离测量仪获得不同状态和不同实验段长度l时输流管实验段中点处的横向距离值δ，取使的值在0.1～0.5区间的l、P、Q和δ值；然后利用二分法计算得到λ值，其中G为输流管处于不同状态时实验段输流管和其内部流体的自重之和。则输流管在不同状态时的弯曲刚度为

本发明中，图7为输流管弯曲刚度测量方法示意图，如图所示实验段输流管的约束方式为一端固定，另一端仅允许轴向移动，将输流管和内部流体的自重之和G等效为轴向均匀分布的线力q，即q＝G/l，在输流管可轴向移动一端施加轴向拉力P、输流管实验段的轴向中点处施加横向集中力Q，测量输流管轴线中点处的位移值。图8为图7所对应的考虑输流管和内部流体自重的弯曲刚度测量受力图，其中输流管和内部流体自重用输流管实验段轴线的均匀横向分布力表示。以实验段的左端点A为坐标原点，建立直角坐标系A-xy；M₁为输流管实验段左端承受的弯矩、V₁为输流管实验段左端承受的y方向的反力，V_R为输流管横截面上y方向的合力、M_R为输流管横截面上承受的弯矩，Ψ为弯曲刚度，l为输流管实验段的长度，y(x)为实验段输流管在轴线中点承受集中横向力、输流管和内部流体自重时的变形曲线。

由图8的受力分析图可列出结构的力矩平衡方程对应的微分方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=M_R\left(x\right)=-M_1-V_{1}x+Py\left(x\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{qx}}^2,\left(0\≤x\≤\frac{l}{2}\right)\\ y\left(0\right)=0,y^{\′}\left(0\right)=0\\ y^{\′}\left(\frac{l}{2}\right)=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=M_R\left(x\right)=-M_1-V_{1}x+Py\left(x\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{qx}}^2+Q(x-\frac{l}{2}),(\frac{l}{2}\≤x\≤l)\\ y\left(l\right)=0,y^{\′}\left(l\right)=0\\ y^{\′}\left(\frac{l}{2}\right)=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于输流管实验段的力学模型关于载荷Q轴向左右对称，因此有3个对称条件，即输流管实验段左端的转角为0、左右固定点的力矩相等、左右固定点的y方向反力相等和两个边界条件y'(0)＝0,y(0)＝0。令求解方程(1)可得：

$\begin{array}{c}y\left(x\right)=\frac{{\mathrm{Ql}}^3}{16{\mathrm{\Ψ\λ}}^3}\[\left(\frac{1-\cosh \mathrm{\λ}}{\sinh \mathrm{\λ}}\right)(1-\cosh bx)+(bx-\sinh bx)\]\\ -\frac{{\mathrm{ql}}^4}{16{\mathrm{\Ψ\λ}}^3}\[\frac{\cos \left(\mathrm{\λ}\right)\left(1-\cosh \left(bx\right)\right)}{\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}+\sinh \left(bx\right)-bx+\frac{{\mathrm{bx}}^2}{l}\]\end{array},\left(0\≤x\≤l/2\right)----\left(3\right)$

在处横向位移最大，其值为：

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{Ql}}^3}{16\mathrm{\Ψ}}\[\frac{\mathrm{\λ}\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)+2\left(1-\cosh \left(\mathrm{\λ}\right)\right)}{{\mathrm{\λ}}^3\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}\]+\frac{{\mathrm{ql}}^4}{16{\mathrm{\Ψ\λ}}^3}(\frac{1-\cosh \left(\mathrm{\λ}\right)}{\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}+\frac{\mathrm{\λ}}{2})---\left(4\right)$

在测量过程中调整拉力机施加在输流管端部的拉力P会导致输流管在轴线/水平方向发生微小的移动，使得原本加载在实验段中部的横向载荷Q的加载位置点也发生偏移。本发明通过对比相机拍摄的实验段为钢质管轴向中点处测力计的原始位置点照片与输流软管在测试后测力计的位置点照片，来得到横向力Q加载位置在水平方向的偏移量Δx。实验中距离测量仪所测横向位移值实际为处的位移δ^*，而实验段轴线中点处的位移需经过如下修正。

求解变形曲线(3)在处的斜率：

$k=y^{\′}(\frac{l}{2}+\mathrm{\Δ}x)---\left(5\right)$

则输流管实验段轴线中点处的横向位移值为：

δ＝δ^*+kΔx (6)

记实验段结构的自重与横向集中载荷之比为η＝ql/Q，则式(4)可写为：

$\frac{4P\mathrm{\δ}}{Ql}=(1+\frac{\mathrm{\η}}{2})\[1+\frac{2(1-\cosh (\mathrm{\λ}))}{\mathrm{\λ}\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}\]---\left(7\right)$

将实验时采用的P,Q,l,G值和修正过的横向位移量δ代入公式(7)，并用二分法求解式(7)得到λ，则弯曲刚度

本发明具有如下的优点：

1、弯曲刚度的计算公式中考虑了输流管结构和内部流体自重对弯曲刚度测量带来的影响，因此提高了所测输流管弯曲刚度的精度。利用数值方法对本发明与专利CN103499497A所示方法和计算公式计算单股钢丝绳和聚乙烯软管在横向加载力Q与自重G之比分别为0.06和0.11时的弯曲刚度值，发现由本发明方法计算两种结构的弯曲刚度与理论值之间的误差分别为1.75％和0.80％，而专利CN103499497A的计算结果与理论值的偏差为6.79％和7.35％。可见，本发明所提供的方法和计算公式的精度要高于专利CN103499497A。

2、通过调节输流管实验段长度l使位于0.1～0.5范围内，可减小测量误差带来的计算误差。由图9不同时与λ的关系曲线可知，当位于0.1～0.5范围内时与λ的关系曲线为线性段。在此线性段内的微小误差引起λ的变化相对于大于0.5时更小。因此，实验中保证位于0.1～0.5范围内，在计算时可获得更精确的λ值，进而通过λ计算得到弯曲刚度值

3、由于在推导弯曲刚度的计算公式时并未限定结构处于小变形状态，因此本发明所提供的测量方法不仅可以应用于结构受力时发生小变形状态，也可以用于大变形状态下。所以，本发明相比仅适用处于小变形状态下的软管弯曲刚度测量的专利CN203965260U具有更大的适用/测量范围。

4、本发明可以通过打开或关闭水泵以及调节压力控制器来测量实验段软管处于空管、含静止流体和含不同内压流动液体这三种状态时的弯曲刚度值。

5、固定套管、吊钩套管和双耳套管三种套管通过强力胶粘结在测量软管的外壁面，作用在套管上的拉力或横向力可转换为套管与软管之间的剪切力或均匀分布的面载荷而均匀地作用在软管上，避免了因载荷加载不均而引起的输流管额外位移。

6、两个定滑轮可使拉力机作用于拉绳上的力均匀对称地传递给双耳套管，进而通过双耳套管使拉力均匀地分布在输流管周向上，消除了拉力施加不均匀引起输流管的额外位移。

附图说明

图1是测量装置的三维等视图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的右视图；

图5是固定套管和固定支座安装位置图；

图6是双耳套管、滑块和直线导轨安装位置图；

图7是输流管弯曲刚度测量方法示意图；

图8是输流管实验段受力分析简图；

图9是不同时与λ关系曲线。

图中：1.压力控制器；2.固定套管；3.固定支座；4.两个实验台；5.吊钩套管；6.测量计；7.加力筒；8.基准平板；9.距离测量仪；10.支架；11.相机；12.相机三脚架；13.双耳套管；14.套管支座；15.拉绳；16.拉力机；17.定滑轮组；18.导轨；19.水池；20.水泵；21.输流管；22.双头螺栓；23.固定螺栓；24.滑块。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种用于测量输流软管弯曲刚度的装置，包括压力控制器1、固定套管2、固定支座3、两个实验台4、吊钩套管5、测力计6、加力筒7、基准平板8、距离测量仪9、支架10、相机11、相机三脚架12、双耳套管13、直线导轨14、拉绳15、拉力机16、定滑轮组17、一对导轨18、水池19、水泵20、输流管21、双头螺栓22、螺栓23、滑块24。其中：

所述的一对导轨18固定在地面。两个实验台4通过支撑架安放在所述一对导轨18上；两个试验台之间构成了本发明的实验段。水池19位于所述一对导轨18的外侧。输流管21的中段置于所述两个实验台的上表面，并且该输流管21的一端通过水泵20与该水池的出水口连通，另一端置于所述水池内。在所述输流管中段固定在两个实验台4的台面上。所述压力控制器1套装在所述输流管的流体入口端的外表面，用于调节实验段内流体的压力，其调节压力的范围为0～1mpa。所述定滑轮组17位于输流管流体出口端实验台的一侧，并将该定滑轮组拉绳的一端与拉力机16的测力器连接；定滑轮组拉绳的另一端与套装在输流管中段的双耳套管上的双耳连接。测力计6通过带钩套管5吊挂在所述输流管的中段，并位于两个实验台之间的1/2处。加力筒7吊挂在所述测力计的下端。基准平板8固定在所述加力筒的下方；距离测量仪9安放在所述支架10的上表面；基准平板8的下表面与距离测量仪9的上表面之间的间距根据该距离测量仪的测量范围确定本实施例中，该距离测量仪的测量范围为65～135mm，故基准平板8的下表面与距离测量仪9的上表面之间的间距为120mm。相机11的镜头高度与所述输流管轴向的高度相同，并位于两个实验台之间的1/2处。

所述压力控制器1、测力计6、拉力机16和距离测量仪9均为选购的成品件。

在固定所述输流管中段时，通过固定套管2将该输流管固定在位于流体入口端的实验台上的固定支座3上，通过双耳套管13将该输流管固定在位于流体出口端的实验台上的套管支座14上。

所述固定套管2为圆环形，其内径与所述输流管的外径相同。在圆环的外圆周上凸出有凹字形的连接片。在该连接片下端有与固定支座连接的螺栓孔。所述固定支座3为块状，该固定支座外表面下端有连接法兰，该固定支座上表面有与固定套管2连接的螺栓孔。用双头螺栓22将所述固定套管2与固定支座3固连。

所述双耳套管13亦为圆环形，其内径与所述输流管的外径相同。在圆环的外圆周上凸出有凹字形的连接片。在该连接片下端有与套管支座14连接的螺纹盲孔。在圆环的外圆周上对称的分布有一对耳环，并且所述耳环与所述连接片在该圆环圆周上的夹角为90°。

所述直线导轨14亦为块状。该直线导轨外表面下端有连接法兰，其上表面有用于安装滑块24的开槽；所述滑块24由上表面的平台和滚轮组成；所述平台的上表面有用于与所述双耳套管上的连接片连接的螺纹盲孔。双头螺栓22的两端分别装入所述滑块24平台上的螺纹盲孔与双耳套管上的螺纹盲孔将二者固连。所述开槽与该导轨内部的滚轮槽贯通。在所述滚轮槽内安放有滚轮，滚轮通过滚轮安装杆与所述滑块的平台固连。

所述直线导轨14与套管支座3分别通过固定螺栓23固定在各实验台4的上表面。

本实施例中，压力控制器1，安装在水泵20出水口与固定套管2之间的输流管21上，用于调节实验段内流体的压力，其调节压力的范围为0～1mpa，并带有压力表；固定套管2，用强力胶将其内壁粘结在输流管21的外壁上，安装在输流管21实验段流体进入端，底部通过双头螺栓22与固定支座3上表面固定，固定套管的内径为30mm；固定支座3，起连接固定套管2和实验台4的作用，安装在固定套管2与实验台4之间，其上表面通过双头螺栓22与固定套管2固定，下表面通过螺栓23固定于实验台4上表面中部；实验台4，由两条宽15cm，长50cm、高50cm的长方形铁质桌子组成，桌腿通过螺栓固定于地面上的导轨18；吊钩套管5，作用为将集中力均匀地传给输流管21，其通过强力胶将内壁面粘结在输流管21的外壁面上，其位于实验段输流管的轴线中点处，其下部带有吊钩用于悬挂测力计6；测力计6，用于测量输流管21轴向中点处施加的横向载荷，其上端与吊钩套管5的吊钩相连，其下端的吊钩用于悬挂加力筒7的拉绳，测力计的最大量程为30N，精度为0.5％；加力筒7，提供横向拉力，其由三根夹角呈120度的拉绳固定在圆筒上组成，拉绳悬挂在测量计6上，其下表面与基准平板8固定，其可容纳2kg的水；基准平板8，为距离测量仪8测量输流管轴向中点处的横向位移量提供参照面的长方形平板，其上表面与加力筒7的下表面固定；距离测量仪9，测量输液管实验段轴线中点处的横向位移，即测量实验中基准平板8与距离测量仪9之间的距离变化，位于基准平板8的正下方，放置于支架10上，其量程为70mm，精度为0.1％；支架10，用于放置距离测量仪9；相机11，作用为拍摄输流管不同状态时的形状和测力计在实验段输流管上的位置点，其位于输流管实验段的中点正前方，放置在相机三角架12上；相机三脚架12，作用为固定相机11；双耳套管13，用于固定输流管实验段和传递拉力机16通过拉绳15施加的端部拉力，其位于输流管实验段流体流出端，双耳套管上左右对称分布一对用于固定拉绳15的耳环，套管下表面通过双头螺栓22与直线导轨14固定；直线导轨14，作用为安装滑块24并与实验台4固定，直线导轨14内部开有贯通的滚轮槽，滑块24的滚轮安装在滚轮槽内，直线导轨14的底面通过螺栓23与实验台4上表面中部固定；拉绳15，作用为将拉力机16的拉力传递给双耳套管13，其一端固定于双耳套管的耳环上，另一端绕过拉力机16上的定滑轮17与拉力机上的测力计相连，拉绳可承受100kg的拉力；拉力机16，作用为施加、控制和测量输流管轴向拉力，其横梁上安装一对定滑轮17，拉力机底座固定于地面，其最大量程为500N，精度为0.5％；定滑轮17，其作用为将拉力机16提供的垂直方向的拉力转化为输流管轴向的拉力，一对定滑轮17用螺栓左右对称固定于拉力机16的横梁下表面；导轨18，作用为固定实验台4的桌脚，并且允许通过调节实验台在导轨内的位置来调节试验段的长度在0.2～1.2m内变化，其底面固定于地面，实验台4桌脚与导轨18通过螺栓固定；水池19，为水泵20提供水源；水泵20，为输流管21提供具有一定压力的循环流体，其吸水口放置于水池19中，出水口接通输流管21，其底面固定于地面，水泵的最大输出压力为1.0mpa；输流管21，两个实验台4之间的部分为输流管实验段，其余部分为输送流体的结构，输流管一端与水泵20的出水口相连，另一端放置在水池19中，输流管的外径为30mm，壁厚2mm；双头螺栓22，用于连接固定套管2和固定支座3、双耳套管13和直线导轨14；螺栓23，用于连接实验台4与固定支座3和直线导轨14；滑块24，安装在直线导轨14的滚轮槽内，其上表面通过双头螺栓22与双耳套管13固连。

实施例2

本实施例提出了一种利用所述测量装置测量输流软管弯曲刚度的方法。所述测量输流软管弯曲刚度包括测量输流管在空管状态时的弯曲刚度、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度和测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度。具体过程是：

第一步、测量输流管在空管状态时的弯曲刚度，测量步骤如下：

步骤1.组装和调试测量装置，确定实验段的长度为l＝0.5m，并在实验段安装外径为30mm的钢质管道；打开位于实验段管道轴线中点处正下方的距离测量仪9，测量此时距离测量仪9与基准平板8之间的距离值δ₀。打开相机11拍摄此时实验段钢质管道的形状；关闭距离测量仪9和相机11。

步骤2.将步骤1中的钢质管道换为外径为30mm的实验输流管；在输流管处于空管状态下，将定滑轮组中拉绳15的一端与双耳套管13的耳环相连，另一端与拉力机16上的测力计相连。

步骤3.旋转拉力机16的加载手柄并观察拉力机上测力计的示数，对输流管加载拉力P至P＝200N。所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管。

步骤4.向加力筒7中加水，并观察加力筒所连接的测力计6的读数，直至其读数显示力Q＝20N。微调拉力机16使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤5.打开距离测量仪9记录此时距离测量仪下表面9与基准平板8上表面之间的距离值δ₁，打开相机11记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点以及测力计6在输流管上新的位置点，关闭距离测量仪9和相机11。

步骤6.输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₁，对比测力计6在步骤1中的原始位置点与相机11在步骤5所拍摄到的测力计6位置点，得到该测力计的位移Δx。通过公式修正位移δ^*：

δ＝δ^*+kΔx

公式中，δ^*是输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值；k是k为处的变形曲线的斜率值；δ是修正后的输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值。

将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤7.根据得到的中间量调整实验段长度l。具体是：

若的值大于0.5，以0.05m的步长减小所述实验段的长度l；若的值小于0.1，以0.05m的步长增加所述实验段的长度l。

按照新确定的实验段长度，重复步骤2～6，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤8.确定输流管空管状态时的弯曲刚度。将得到的的值位于0.1～0.5范围内的l和δ值代入公式，

$\frac{4P\mathrm{\δ}}{Ql}=(1+\frac{\mathrm{\η}}{2})\[1+\frac{2(1-\cosh (\mathrm{\λ}))}{\mathrm{\λ}\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}\],$

其中

式中G为实验段输流管和内部流体的自重之和；Ψ为弯曲刚度；η为实验段输流管和内部流体的自重之和与加载在实验段输流管上的拉力P之比；λ为拉力P无量纲化所得无量纲参数。

利用二分法计算出λ值，则输流管空管状态时的弯曲刚度为

第二步、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度，具体步骤如下：

步骤1.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1～4进行操作。

步骤2.打开水泵20，待实验段输流软管内充满水之后关闭水泵20；微调拉力机16使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤3.打开距离测量仪9记录此时距离测量仪9与基准平板8之间的距离值δ₂，打开相机11记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点，关闭距离测量仪9和相机11。

步骤4.输流管内部含静止液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₂，对比测力计6在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx。按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤5.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤7中所述方法调整实验段长度l。按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤6.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤8计算含静止流体时实验段输流管的弯曲刚度值。

第三步、利用上述装置测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度测量步骤如下：

步骤1.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤1～4进行操作。

步骤2.打开水泵20，并调节压力控制器1使压力表的示数为0.1mpa，微调拉力机16使拉力机上测力计显示拉力P＝200N。

步骤3.打开距离测量仪9记录此时距离测量仪9与基准平板8之间的距离值δ₃，打开相机11记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点，关闭距离测量仪9和相机11。

步骤4.输流管内部含压力0.1mpa的流动液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₃，对比测力计6在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx。按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤5.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤7所述方法调整实验段长度l。按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量。

步骤6.调节压力控制器1使压力表的压力值示数为0.2mpa，微调拉力机16使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；重复本次实验的步骤3～5。

步骤7.重复本次实验步骤6，完成内压为0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa和0.6mpa时输流管的弯曲刚度测量，关闭水泵20。

步骤8.将满足值位于0.1～0.5范围内的各内部流体压力时的l和δ值代入公式中，利用二分法计算出λ值，则输流管不同内压状态时的弯曲刚度为

Claims (6)

1.一种输流软管弯曲刚度的测量装置，其特征在于，包括压力控制器、固定套管、固定支座、两个实验台、吊钩套管、测力计、加力筒、基准平板、距离测量仪、支架、相机、双耳套管、直线导轨、拉力机、定滑轮组、一对导轨和输流管；其中：

所述的一对导轨固定在地面；两个实验台通过支撑架安放在所述一对导轨上；两个试验台之间构成了实验段；输流管的中段置于所述两个实验台的上表面，并且该输流管的一端与水池的出水口连通，另一端置于所述水池内；在所述输流管中段固定在两个实验台的台面上；所述压力控制器套装在所述输流管的流体入口端的外表面，用于调节实验段内流体的压力；

所述定滑轮组位于输流管流体出口端实验台的一侧，并将该定滑轮组拉绳的一端与拉力机的测力器连接；定滑轮组拉绳的另一端与套装在输流管中段的双耳套管上的双耳连接；测力计通过带钩套管吊挂在所述输流管的中段，并位于两个实验台之间的1/2处；加力筒吊挂在所述测力计的下端；基准平板固定在所述加力筒的下方；

距离测量仪安放在所述支架的上表面；基准平板的下表面与距离测量仪的上表面之间的间距根为120mm；相机的镜头高度与所述输流管轴向的高度相同，并位于两个实验台之间的1/2处。

2.如权利要求1所述输流软管弯曲刚度的测量装置，其特征在于，在固定所述输流管中段时，通过固定套2将该输流管固定在位于流体入口端的实验台上的固定支座上，通过双耳套管将该输流管固定在位于流体出口端的实验台上的套管支座上。

3.如权利要求2所述输流软管弯曲刚度的测量装置，其特征在于，所述固定套管的内径与所述输流管的外径相同；在圆环的外圆周上凸出有连接片；在该连接片下端有与固定支座连接的螺栓孔；所述固定支座为块状，该固定支座外表面下端有连接法兰，该固定支座上表面有与固定套管连接的螺栓孔；用双头螺栓将所述固定套管与固定支座固连。

4.如权利要求2所述输流软管弯曲刚度的测量装置，其特征在于，所述双耳套管的内径与所述输流管的外径相同；在圆环的外圆周上凸出有连接片；在该连接片下端有与套管支座连接的螺纹盲孔；在圆环的外圆周上对称的分布有一对耳环，并且所述耳环与所述连接片在该圆环圆周上的夹角为90°；

所述直线导轨外表面下端有连接法兰，上表面有用于安装滑块的开槽；所述滑块由上表面的平台和滚轮组成；通过双头螺栓将所述滑块平台与双耳套管固连；所述开槽与该导轨内部的滚轮槽贯通；在所述滚轮槽内安放有滚轮，滚轮通过滚轮安装杆与所述滑块的平台固连。

5.如权利要求1所述输流软管弯曲刚度的测量装置，其特征在于，所述压力控制器调节压力的范围为0～1mpa。

6.一种利用如权利要求1所述测量装置测量输流软管弯曲刚度的方法，其特征在于，所述测量输流软管弯曲刚度包括测量输流管在空管状态时的弯曲刚度、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度和测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度；具体过程是：

第一步、测量输流管在空管状态时的弯曲刚度，测量步骤如下：

步骤1.组装和调试测量装置，确定实验段的长度为l＝0.5m，并在实验段安装与输流管外径相同的钢质管道；通过距离测量仪测量此时该距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₀；通过相机拍摄此时实验段钢质管道的形状；

步骤2.将钢质管道换为实验用的输流管；在输流管处于空管状态下，将定滑轮组中拉绳的一端与双耳套管的耳环相连，另一端与拉力机上的测力计相连；

步骤3.通过拉力机对输流管加载拉力P；加载的拉力P＝200N；

所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管；

步骤4.向加力筒中加水至加力筒所连接的测力计的读数，显示力Q＝20N；微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；

步骤5.打开距离测量仪记录此时距离测量仪下表面与基准平板上表面之间的距离值δ₁，打开相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点以及测力计在输流管上新的位置点；

步骤6.输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₁，对比测力计在步骤1中的原始位置点与相机在步骤5所拍摄到的测力计位置点，得到该测力计的位移Δx；通过公式修正位移δ^*：

δ＝δ^*+kΔx

公式中，δ^*是输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值；k是k为处的变形曲线的斜率值；δ是修正后的输流管空管状态时实验段输流管轴线中点处的横向位移值；

将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量

步骤7.根据得到的中间量调整实验段长度l；具体是：

若的值大于0.5，以0.05m的步长减小所述实验段的长度l；若的值小于0.1，以0.05m的步长增加所述实验段的长度l；

按照新确定的实验段长度，重复步骤2～6，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量；

步骤8.确定输流管空管状态时的弯曲刚度；将得到的的值位于0.1～0.5范围内的l和δ值代入公式：

$\frac{4P\mathrm{\δ}}{Ql}=(1+\frac{\mathrm{\η}}{2})\[1+\frac{2(1-\cosh (\mathrm{\λ}\left)\right)}{\mathrm{\λ}\sinh \left(\mathrm{\λ}\right)}\],$

其中

式中G为实验段输流管和内部流体的自重之和；Ψ为弯曲刚度；η为实验段输流管和内部流体的自重之和与加载在实验段输流管上的拉力P之比；λ为拉力P无量纲化所得无量纲参数；

利用二分法计算出λ值，则输流管空管状态时的弯曲刚度为至此，完成了对输流管空管状态时的弯曲刚度的测量；

第二步、测量输流管在内部含静止液体时的弯曲刚度，具体步骤如下：

步骤1.按照测量输流管空管时弯曲刚度时的步骤1～4进行操作，得到实验段钢质管道的形状，并完成对输流管加载拉力P和给加力筒中加水；所述对输流管加载拉力所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管；

步骤2.打开水泵，待实验段输流软管内充满水之后关闭水泵；微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；

步骤3.打开距离测量仪记录此时距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₂，通过相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点；

步骤4.输流管内部含静止液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ*＝δ₀-δ₂，对比测力计在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3中所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx；按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量步骤5.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤7中所述方法调整实验段长度l；按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量；

步骤6.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤8计算含静止流体时实验段输流管的弯曲刚度值；至此，完成对输流管在内部含静止液体时弯曲刚度的测量；

第三步、利用上述装置测量输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度，具体步骤如下：

步骤1.按照测量输流管空管时弯曲刚度中的步骤1～4进行操作，得到实验段钢质管道的形状，并完成对输流管加载拉力P和给加力筒中加水；所述对输流管加载拉力是通过定滑轮组对套装在输流管中段的双耳套管施加拉力，进而通过该双耳套管将该拉力施加给输流管；

步骤2.打开水泵，并调节压力控制器使压力表的示数为0.1mpa，微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；

步骤3.打开距离测量仪记录此时距离测量仪与基准平板之间的距离值δ₃，打开相机记录此时输流管实验段的形状及测力计在输流管上新的位置点；

步骤4.输流管内部含压力0.1mpa的流动液体时实验段输流管轴线中点处的横向位移值δ^*＝δ₀-δ₃，对比测力计在输流管空管时弯曲刚度的测量步骤1中的原始位置点和本次实验步骤3中所拍摄照片中测力计新的位置点，得到测力计水平位移Δx；按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤6所述方法对横向位移δ^*进行修正得位移值δ，将位移值δ和P＝200N、Q＝20N、l＝0.5m分别带入得到中间量步骤5.按照输流管空管时弯曲刚度的测量步骤7所述方法调整实验段长度l；按照新确定的实验段长度，重复本次实验步骤1～4，直到的值位于0.1～0.5范围内时停止测量；

步骤6.调节压力控制器使压力表的压力值示数为0.2mpa，微调拉力机使拉力机上测力计显示拉力P＝200N；重复本次实验的步骤3～5；

步骤7.重复本次实验步骤6，完成内压为0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa和0.6mpa时输流管的弯曲刚度测量，关闭水泵；

步骤8.将满足值位于0.1～0.5范围内的各内部流体压力时的l和δ值代入公式中，利用二分法计算出λ值，则输流管不同内压状态时的弯曲刚度为至此，完成输流管在内部含不同压力流动液体时弯曲刚度的测量。