CN110044738A - 焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法 - Google Patents

焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法,包括焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统、横向铰接系统、杠杆式传力系统、高度可调基座和安全悬挂式疲劳加载系统;基于上述装置的应用方法,包括以下步骤:粘贴初始加载控制应变片;安装试件;焊缝轴向初始应力预施加;垂直焊缝方向初始应力预施加;焊缝多轴应力的疲劳加载。本发明能够模拟钢结构焊缝多轴应力焊缝轴向初始应力和垂直于焊缝向初始应力的施加,并确保所施加初始应力大小的精确可控,基于本发明试验装置和应用方法得到的试验结果可精确反映焊缝在多轴应力状态下的疲劳性能,试验结果更接近实际运营状况,为提高疲劳试验结果精度提供支撑。

Description

焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种疲劳试验装置及其应用方法,尤其涉及一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法。
背景技术
钢结构在道路桥梁、民用建筑、海上平台等结构中得到了越来越广泛的应用。但由于钢结构部件复杂,焊接仍是各部件连接的最主要的方式。但对于一个整体结构而言,焊接工作量巨大,焊接缺陷(如焊瘤、夹杂等)难以避免。在焊接残余应力、外界反复荷载的耦合作用下,焊缝疲劳开裂现象时有发生。例如,国内多座跨江钢桥钢箱梁焊缝的疲劳裂纹已达千条以上。疲劳裂纹的不断扩展将危害局部构件及整体结构安全,严重时甚至将导致结构破坏,对人民安全及社会财产造成巨大危害。因此,通过试验手段,明晰钢结构焊缝的疲劳性能,是当前工程界的研究热点之一。
钢结构焊缝局部构造复杂,局部应力状态常呈现多轴应力状态;同时,在运营荷载、风荷载等耦合作用下,局部应力特征更为复杂。目前最能精确反映焊缝局部受力状态的疲劳试验方法是节段试件加载法,即等比例建造实际结构的节段模型,然后采用MTS等大型液压伺服机进行疲劳加载。此方法虽然可以得到较为精确的试验结果,但人力、物力成本巨大,且疲劳试验由于自身的离散性,往往需要同时开展多个试件的疲劳试验,该方法难以得到实际应用。因此,有效采用替代方案开展疲劳试验,是目前主要的解决途径。专利“机械型试件疲劳试验机及其试验方法(201110416431.2)”、“考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置(201611159177.1)”等提出了基于振动型疲劳加载方法的疲劳试验装置,但均无法实现可控多轴疲劳应力的加载。所得试验结果尽管能够较好地反映单轴应力状态下的疲劳性能,但无法代表结构实际的多轴疲劳性能。
可见,如何有效、可控地实现焊缝多轴应力状态的施加,并有效开展疲劳试验,已成为当前亟待解决的技术问题。
发明内容
发明目的:本发明目的是提供一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置及其应用方法,该装置及方法可有效实现焊缝应力状态的可控施加,有效得到焊缝多轴应力状态下的疲劳性能,为实际工程提供参考。
技术方案:本发明包括底板,所述底板上表面的一侧固定有机架,所述的机架上表面固定有试件,所述试件的一端与机架固定,另一端悬空;试件悬空端的下方设有垂直焊缝方向初始应力施加系统,所述垂直焊缝方向初始应力施加系统的底部与底板固定,顶部与试件连接;所述试件的宽度方向对称设有焊缝轴向初始应力施加系统,所述焊缝轴向初始应力施加系统的侧面与机架固定;所述试件悬空端的端部固定有横向铰接系统;横向铰接系统与杠杆式传力系统连接,所述的杠杆式传力系统沿试件的长度方向设置,其端部连接有安全悬挂式疲劳加载系统,所述的杠杆式传力系统还穿过高度可调基座,其贯穿方向与试件宽度方向平行;所述的高度可调基座设置在底板上表面。
所述的焊缝轴向初始应力施加系统包括固定框架,所述固定框架的侧面与机架连接,固定框架的正面设有弹簧限位板,所述弹簧限位板的一端与调节螺杆连接,另一端通过弹簧与轴向压力板连接,所述的轴向压力板与试件侧面接触,通过调整调节螺杆端部的调节螺帽,使弹簧限位板不断压缩弹簧,可实现焊缝初始轴向应力的施加。
所述的垂直焊缝方向初始应力施加系统包括底座,所述的底座与底板固定,底座上固定有螺纹杆,螺纹杆上设有上固定螺帽与下固定螺帽,上固定螺帽与下固定螺帽之间设有弹簧连接滑块,所述弹簧连接滑块的上表面设有垂直焊缝方向初始应力施加弹簧,垂直焊缝方向初始应力施加弹簧的顶部连接有螺帽,螺帽上方设有弹簧固定螺母,所述的弹簧固定螺母及螺帽与试件连接,通过调节弹簧连接滑块在螺纹杆上的位置,可以实现加载试件的向上或向下挠曲,从而实现垂直于焊缝方向初始应力的施加。
所述的横向铰接系统包括对称分布的固定外壳,并通过固定外壳与试件连接,所述的固定外壳之间设有FRP连接板,FRP连接板的上下表面均固定有若干滚轮,所述滚轮的两端均与固定外壳侧面的滚轮限位孔连接,通过自由转动实现对FRP连接板竖向位移的约束而不约束水平位移,FRP连接板的一端插入水平限位块中,另一端设有FRP板固定孔,通过FRP板固定孔与杠杆式传力系统连接。
所述的杠杆式传力系统包括支撑杆、轴承、阻力杆和动力杆,所述的阻力杆一端与FRP连接板连接,另一端与轴承连接;所述的动力杆一端与轴承连接,另一端与疲劳试验机连接;所述的轴承之间贯穿有支撑杆,动力杆长度可定制,从而通过杠杆原理获得所施加疲劳荷载,满足不同的试验需求。
所述的高度可调基座包括基座上部和基座下部,所述的基座上部包括支撑杆通过孔和基座调位杆通过孔,所述的支撑杆通过孔用于穿过支撑杆,基座调位杆通过孔可实现基座上部的竖向移动,从而调整杠杆式传力系统的高度,实现不同试件类型的加载需求;所述的基座下部包括主基座,主基座上表面固定有基座调位杆,所述的基座调位杆穿过基座调位杆通过孔将基座上部和基座下部连接。
所述的安全悬挂式疲劳加载系统包括支撑架、悬臂、疲劳试验机与横向连接垫板,所述的疲劳试验机通过横向连接垫板与动力杆连接,对于两个动力杆而言起到横向连接的作用,保证两个动力杆的同步,疲劳试验机的顶部连接悬臂,悬臂的一端与支撑架固定。
一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置的应用方法,包括以下步骤:
(1)粘贴初始加载控制应变片:在所关注的焊缝应力测点部位粘贴三向应变花,其中0°的应变片与焊缝水平,90°的应变片与焊缝垂直;
(2)安装试验装置及试件,将初始加载控制应变片与应变仪连接,并进行数据调试;
(3)焊缝轴向初始应力预施加:同步调整试件两侧的焊缝轴向初始应力施加系统,通过应变仪测量得到所施加的焊缝轴向初始应力大小,待焊缝轴向初始应力值达到试验要求后,测量两侧调节螺帽的旋进距离,作为所需施加焊缝轴向应力的初始参数;
(4)垂直焊缝方向初始应力预施加,包括:
垂直于焊缝方向初始拉应力预施加:通过调整垂直焊缝方向初始应力施加系统,实现试件端部的下挠,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录上固定螺帽的旋进位移,作为所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
垂直于焊缝方向初始压应力预施加:通过调整垂直焊缝方向初始应力施加系统,实现试件端部的上挠,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录下固定螺帽的旋进位移,作为所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
(5)焊缝多轴应力的疲劳加载:对试件焊缝部位进行打磨,依据试验需求粘贴应变片,并与应变仪连接,依据预施加得到的焊缝轴向应力初始参数、垂直于焊缝方向应力初始参数,完成对试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统的调整,得到所需的焊缝多轴应力状态,启动疲劳试验机并调制所需加载频率,开始基于焊缝多轴应力状态的疲劳试验。
有益效果:1、本发明能够模拟钢结构焊缝多轴应力(焊缝轴向初始应力和垂直于焊缝向初始应力)的施加,并确保所施加初始应力大小的精确可控;2、本发明能够依据杠杆原理实现对疲劳荷载大小的调整,满足不同试件的加载需求;3、本发明可有效避免反复搬运、连接疲劳试验机造成的不便,简化试验过程;4、本发明可有效避免疲劳试验机因试件断裂而砸到地上造成的损伤;5、本发明得到的试验结果可精确反映焊缝在多轴应力状态下的疲劳性能,试验结果更接近实际运营状况,为提高疲劳试验结果精度、可信度提供支持。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明中焊缝轴向初始应力施加系统的拆解示意图;
图3是本发明中杠杆式传力系统的示意图;
图4是本发明中疲劳试验机及横向连接垫板的示意图;
图5是本发明中高度可调基座的基座上部示意图;
图6是本发明中高度可调基座的基座下部示意图;
图7是本发明中支撑架和悬臂的示意图;
图8是本发明中垂直焊缝方向初始应力施加系统的示意图;
图9是本发明中横向铰接系统的拆解示意图;
图10是加载试件的示意图;
图11是施加轴向初始应力后焊缝轴向初始应力施加系统示意图;
图12是施加垂直焊缝方向初始拉应力后的装置示意图;
图13是施加垂直焊缝方向初始压应力后的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图13所示,本发明包括焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统、横向铰接系统、杠杆式传力系统、高度可调基座和安全悬挂式疲劳加载系统。
如图1所示,本发明包括底板1,底板1上表面的左侧通过高强螺栓与机架2固定,机架2上表面固定有试件3,试件3的左侧通过八枚高强螺栓固定于机架2上,另一端悬空。如图10所示,试件3的左侧设有八个与机架连接用的螺栓孔31,右侧设有四个与横向铰接系统连接用的螺栓孔32、一个与垂直焊缝方向初始应力施加系统连接用的螺栓孔33,其中,与垂直焊缝方向初始应力施加系统连接用的螺栓孔33位于与横向铰接系统连接用的螺栓孔32的右侧。试件3右侧悬空端的下方设有垂直焊缝方向初始应力施加系统,垂直焊缝方向初始应力施加系统的底部与底板1固定,顶部与试件3连接;试件3的宽度方向对称设有焊缝轴向初始应力施加系统,焊缝轴向初始应力施加系统的左侧与机架2固定;试件3悬空端的端部固定有两个横向铰接系统;横向铰接系统与杠杆式传力系统连接,杠杆式传力系统沿试件3的长度方向设置,其端部连接有安全悬挂式疲劳加载系统,杠杆式传力系统还穿过高度可调基座,其贯穿方向与试件3宽度方向平行;高度可调基座设置在底板1上表面。
如图2所示,焊缝轴向初始应力施加系统包括固定框架41、调节螺杆42、轴向压力板43、弹簧44、弹簧限位板45、调节螺帽46及螺栓孔47。固定框架41的内部为中空结构,其左侧面开有四个螺栓孔47,用于将固定框架41与机架2牢固连接。固定框架41的正面设有弹簧限位板45,弹簧限位板45的底端与调节螺杆42连接,并可在调节螺杆42上自由滑动,调节螺杆42伸出弹簧限位板45右侧的端部连接有调节螺帽46,弹簧限位板45的顶端通过弹簧44与轴向压力板43连接。轴向压力板43顶紧试件3的侧面,通过调整调节螺帽46,使弹簧限位板45不断压缩弹簧,可实现焊缝初始轴向应力的施加。
如图8所示,垂直焊缝方向初始应力施加系统包括底座151、螺纹杆152、下固定螺帽153、弹簧连接滑块154、上固定螺帽155、垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156、弹簧固定螺母157及螺帽158。底座151通过螺栓与底板1固定,底座151上表面的中央固定有螺纹杆152,螺纹杆152上设有上固定螺帽155与下固定螺帽153,上固定螺帽155与下固定螺帽153之间设有弹簧连接滑块154,弹簧连接滑块154的上表面设有垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156,垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156的顶部连接有螺帽158,螺帽158上方设有弹簧固定螺母157。弹簧连接滑块154可在螺纹杆152上自由滑动,通过下固定螺帽153与上固定螺帽155限制其在螺纹杆152上的位置,从而实现对垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156的拉伸或压缩。垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156通过弹簧固定螺母157及螺帽158与试件3连接。通过调节弹簧连接滑块154在螺纹杆152上的位置,可以实现试件3的向上或向下挠曲,从而实现垂直于焊缝方向初始应力的施加。
如图9所示,横向铰接系统包括固定外壳51、FRP连接板52、滚轮限位孔53、固定螺栓孔54、水平限位块55、水平限位块插销孔56、滚轮57及FRP板固定孔58。固定外壳51两侧的底部均设有一个固定螺栓孔54,通过固定螺栓孔54与试件3连接。两个对称的固定外壳51之间设有FRP连接板52,FRP连接板52的上下表面均固定有若干滚轮57,滚轮57的两端均与固定外壳51侧面的滚轮限位孔53连接,通过自由转动实现对FRP连接板竖向位移的约束而不约束水平位移,因为,FRP连接板52的上下表面分别与滚轮57接触,因此FRP连接板52可以在滚轮57内部平行滑动,而无法产生竖直方向的移动。FRP连接板52的一端插入水平限位块55中,水平限位块55上设有两个水平限位块插销孔56,通过插销将水平限位块55与FRP连接板52固定,可有效防止加载过程中FRP连接板52脱离固定外壳51。FRP连接板52另一端设有FRP板固定孔58,通过FRP板固定孔58与杠杆式传力系统连接。本发明在试件3的端部连接有两套横向铰接系统,并沿试件3的宽度方向对称分布。通过FRP连接板52的水平自由位移,可避免疲劳试验机11转动过程中产生的水平力对试验结果的影响。因为,疲劳试验机11产生的作用力通过FRP连接板52传递给试件3。但由于FRP连接板52在水平方向可以自由移动,即不传递作用力,因此疲劳试验机11产生的水平向作用力对试件3没有影响,仅竖直方向的作用力会施加于试件3上。
如图3所示,杠杆式传力系统包括支撑杆61、轴承62、阻力杆63和动力杆65。轴承62两侧带有连接板,分别与阻力杆63、动力杆65连接。阻力杆63通过固定孔64与横向铰接系统中的FRP连接板52连接,另一端与轴承62连接;动力杆65一端与轴承62连接,另一端与疲劳试验机11连接;轴承62之间贯穿有支撑杆61。动力杆63的长度可定制,从而通过杠杆原理获得所施加疲劳荷载,满足不同的试验需求。杠杆式传力系统沿试件3的长度方向设置,其中,支撑杆61与阻力杆63及动力杆65的方向垂直,并穿过高度可调基座中的基座上部71。
如图5和图6所示,高度可调基座包括基座上部71和基座下部81,基座上部71包括支撑杆通过孔72和基座调位杆通过孔73,支撑杆通过孔72用于穿过支撑杆61。基座下部81包括主基座,主基座上表面固定有两个基座调位杆82,基座调位杆82穿过基座调位杆通过孔73,将基座上部71和基座下部81连接。基座上部71的位置可通过基座调位杆82、调位杆上螺母83、调位杆下螺母84及千斤顶9进行升降调整,实现基座上部71的竖向移动,从而调整杠杆式传力系统的高度,实现不同试件类型的加载需求。如图1所示,基座下部81设置在底板1上,基座下部81的上方连接有基座上部71,基座上部71与基座下部81之间还连接有千斤顶9,用于调节基座上部71的高度。
安全悬挂式疲劳加载系统包括支撑架13、悬臂14、疲劳试验机11、横向连接垫板10和安全绳12。疲劳试验机11的外壳带有耳环112,可通过安全绳12与悬臂14连接,防止实验过程中疲劳试验机11砸下。如图4所示,横向连接垫板10的底部设有四个第一螺栓孔101,疲劳试验机11对应的位置设有四个第二螺栓孔111,通过疲劳试验机11与横向连接垫板10上的螺栓孔将疲劳试验机11及横向连接垫板10与动力杆65连接,对于两个动力杆65而言,横向连接垫板10起到横向连接的作用,保证两个动力杆65的同步。疲劳试验机11的顶部连接悬臂14,悬臂14的一端设有四个第三螺栓孔141,对应的,支撑架13的顶部也设有相同的四个第四螺栓孔131,通过螺栓孔将悬臂14与支撑架13固定,如图7所示。
一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置的应用方法,包括以下步骤:
(1)粘贴初始加载控制应变片:在所关注的焊缝应力测点部位(如距离焊趾10mm的名义应力测点)粘贴三向应变花,其中0°的应变片与焊缝水平,用于检测平行于焊缝方向的初始应力,90°的应变片与焊缝垂直,90°的应变片有两个,分别用于检测垂直于焊缝方向的初始拉应力和初始压应力;
(2)安装试验装置及试件:按照试验步骤将试件安装到位,通过调整高度可调基座上部的高度,将阻力杆、横向铰接系统、试件相连,将焊缝轴向初始应力施加系统按要求安装到位,将垂直焊缝方向初始应力施加系统安装到位,其中垂直焊缝方向初始应力施加弹簧通过弹簧固定螺母及螺帽与加载试件连接,完成上述步骤后,将初始加载控制应变片与应变仪连接,并进行数据调试,确保其正常工作;
(3)焊缝轴向初始应力预施加:同步调整试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统的调节螺帽,并同时观测0°应变片的读数,调整过程中确保两侧调节螺帽的旋进位移相同,通过应变仪测量得到所施加的焊缝轴向初始应力大小,待焊缝轴向初始应力值达到试验要求后,测量两侧调节螺帽的旋进距离,作为本实验所需施加焊缝轴向应力的初始参数,该步骤完成后可解除焊缝轴向应力的施加,开始下一步操作;
(4)垂直焊缝方向初始应力预施加,包括:
垂直于焊缝方向初始拉应力预施加:将下固定螺帽调至螺纹杆底部,然后转动上固定螺帽使之推动弹簧连接滑块下移,从而拉伸垂直焊缝方向初始应力施加弹簧,实现试件端部的下挠。调整期间不断观测90°方向应变片的读数,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录上固定螺帽的旋进位移,作为本实验所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
垂直于焊缝方向初始压应力预施加:将上固定螺帽调至螺纹杆上部,然后转动下固定螺帽使之推动弹簧连接滑块上移,从而拉伸垂直焊缝方向初始应力施加弹簧,实现试件端部的上挠。调整期间不断观测90°方向应变片的读数,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录下固定螺帽的旋进位移,作为本实验所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
(5)焊缝多轴应力的疲劳加载:对试件焊缝部位进行打磨,依据试验需求粘贴应变片,如名义应力测点、热点应力测点等,并与应变仪连接,依据预施加得到的焊缝轴向应力初始参数、垂直于焊缝方向应力初始参数,完成对试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统的调整,得到所需的焊缝多轴应力状态,随后连接安全绳,启动疲劳试验机并调制所需加载频率,开始基于焊缝多轴应力状态的疲劳试验。
实施例一:焊缝轴向初始应力及垂直焊缝方向初始拉应力的疲劳加载
参见图1至图12,按要求完成机架、试件、焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统、横向铰接系统、杠杆式传力系统、高度可调基座和安全悬挂式疲劳加载系统的安装。
在所关注的焊缝应力测点部位,如距离焊趾10mm的名义应力测点粘贴三向应变花,其中0°的应变片与焊缝水平,90°的应变片与焊缝垂直。
同步调整试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统的调节螺帽46,并同时观测0°应变片的读数,调整过程中确保两侧调节螺帽46的旋进位移相同。通过应变仪测量得到所施加的焊缝轴向初始应力大小,待焊缝轴向初始应力值达到试验要求后,测量两侧调节螺帽46的旋进距离,作为本实验所需施加焊缝轴向应力的初始参数。
将下固定螺帽153调至螺纹杆152底部,然后转动上固定螺帽155使之推动弹簧连接滑块154下移,从而拉伸垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156,实现试件3端部的下挠。调整期间不断观测90°方向应变片的读数,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录下上固定螺帽155的旋进位移,作为本实验所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数。该步骤完成后解除垂直于焊缝方向初始应力的施加,开始试件的正式加载。
对试件焊缝部位进行打磨,依据试验需求粘贴应变片如名义应力测点、热点应力测点等,并与应变仪连接。依据预施加得到的焊缝轴向应力初始参数、垂直于焊缝方向应力初始参数,完成对试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统的调整,得到所需的焊缝多轴应力状态。随后连接安全绳12,启动疲劳试验机11并调制所需加载频率,开始基于焊缝多轴应力状态的疲劳试验。
实施例二:焊缝轴向初始应力及垂直焊缝向初始压应力的疲劳加载
参见图1至图11与图13,按要求完成机架、试件、焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统、横向铰接系统、杠杆式传力系统、高度可调基座和安全悬挂式疲劳加载系统的安装。
在所关注的焊缝应力测点部位如距离焊趾10mm的名义应力测点粘贴三向应变花,其中0°的应变片与焊缝水平,90°的应变片与焊缝垂直。
同步调整试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统的调节螺帽46,并同时观测0°应变片的读数,调整过程中确保两侧调节螺帽46的旋进位移相同。通过应变仪测量得到所施加的焊缝轴向初始应力大小,待焊缝轴向初始应力值达到试验要求后,测量两侧调节螺帽46的旋进距离,作为本实验所需施加焊缝轴向应力的初始参数。
将上固定螺帽155调至螺纹杆152上部,然后转动下固定螺帽153使之推动弹簧连接滑块154上移,从而拉伸垂直焊缝方向初始应力施加弹簧156,实现试件3端部的上挠。调整期间不断观测90°方向应变片的读数,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录下固定螺帽153的旋进位移,作为本实验所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数。该步骤完成后解除垂直于焊缝方向初始应力的施加,开始试件的正式加载。
对试件焊缝部位进行打磨,依据试验需求粘贴应变片如名义应力测点、热点应力测点等,并与应变仪连接。依据预施加得到的焊缝轴向应力初始参数、垂直于焊缝方向应力初始参数,完成对试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统的调整,得到所需的焊缝多轴应力状态。随后连接安全绳12,启动疲劳试验机11并调制所需加载频率,开始基于焊缝多轴应力状态的疲劳试验。

Claims (8)

1.一种焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,包括底板,其特征在于,所述底板上表面的一侧固定有机架,所述的机架上表面固定有试件,所述试件的一端与机架固定,另一端悬空;试件悬空端的下方设有垂直焊缝方向初始应力施加系统,所述垂直焊缝方向初始应力施加系统的底部与底板固定,顶部与试件连接;所述试件的宽度方向对称设有焊缝轴向初始应力施加系统,所述焊缝轴向初始应力施加系统的侧面与机架固定;所述试件悬空端的端部固定有横向铰接系统;横向铰接系统与杠杆式传力系统连接,所述的杠杆式传力系统沿试件的长度方向设置,其端部连接有安全悬挂式疲劳加载系统,所述的杠杆式传力系统还穿过高度可调基座,其贯穿方向与试件宽度方向平行;所述的高度可调基座设置在底板上表面。
2.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的焊缝轴向初始应力施加系统包括固定框架,所述固定框架的侧面与机架连接,固定框架的正面设有弹簧限位板,所述弹簧限位板的一端与调节螺杆连接,另一端通过弹簧与轴向压力板连接,所述的轴向压力板与试件侧面接触。
3.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的垂直焊缝方向初始应力施加系统包括底座,所述的底座与底板固定,底座上固定有螺纹杆,螺纹杆上设有上固定螺帽与下固定螺帽,上固定螺帽与下固定螺帽之间设有弹簧连接滑块,所述弹簧连接滑块的上表面设有垂直焊缝方向初始应力施加弹簧,垂直焊缝方向初始应力施加弹簧的顶部连接有螺帽,螺帽上方设有弹簧固定螺母,所述的弹簧固定螺母及螺帽与试件连接。
4.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的横向铰接系统包括对称分布的固定外壳,并通过固定外壳与试件连接,所述的固定外壳之间设有FRP连接板,FRP连接板的上下表面均固定有若干滚轮,所述滚轮的两端均与固定外壳侧面的滚轮限位孔连接,FRP连接板的一端插入水平限位块中,另一端设有FRP板固定孔,通过FRP板固定孔与杠杆式传力系统连接。
5.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的杠杆式传力系统包括支撑杆、轴承、阻力杆和动力杆,所述的阻力杆一端与FRP连接板连接,另一端与轴承连接;所述的动力杆一端与轴承连接,另一端与疲劳试验机连接;所述的轴承之间贯穿有支撑杆。
6.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的高度可调基座包括基座上部和基座下部,所述的基座上部包括支撑杆通过孔和基座调位杆通过孔,所述的支撑杆通过孔用于穿过支撑杆,所述的基座下部包括主基座,主基座上表面固定有基座调位杆,所述的基座调位杆穿过基座调位杆通过孔将基座上部和基座下部连接。
7.根据权利要求1所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置,其特征在于,所述的安全悬挂式疲劳加载系统包括支撑架、悬臂、疲劳试验机与横向连接垫板,所述的疲劳试验机通过横向连接垫板与动力杆连接,疲劳试验机的顶部连接悬臂,悬臂的一端与支撑架固定。
8.基于权利要求1至7任一项所述的焊缝多轴应力可控施加的疲劳试验装置的应用方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)粘贴初始加载控制应变片:在所关注的焊缝应力测点部位粘贴三向应变花,其中0°的应变片与焊缝水平,90°的应变片与焊缝垂直;
(2)安装试验装置及试件,将初始加载控制应变片与应变仪连接,并进行数据调试;
(3)焊缝轴向初始应力预施加:同步调整试件两侧的焊缝轴向初始应力施加系统,通过应变仪测量得到所施加的焊缝轴向初始应力大小,待焊缝轴向初始应力值达到试验要求后,测量两侧调节螺帽的旋进距离,作为所需施加焊缝轴向应力的初始参数;
(4)垂直焊缝方向初始应力预施加,包括:
垂直于焊缝方向初始拉应力预施加:通过调整垂直焊缝方向初始应力施加系统,实现试件端部的下挠,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录上固定螺帽的旋进位移,作为所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
垂直于焊缝方向初始压应力预施加:通过调整垂直焊缝方向初始应力施加系统,实现试件端部的上挠,通过应变仪测量得到垂直于焊缝方向的初始应力,待垂直焊缝方向初始应力值达到试验要求后,记录下固定螺帽的旋进位移,作为所需施加垂直于焊缝方向应力的初始参数;
(5)焊缝多轴应力的疲劳加载:对试件焊缝部位进行打磨,依据试验需求粘贴应变片,并与应变仪连接,依据预施加得到的焊缝轴向应力初始参数、垂直于焊缝方向应力初始参数,完成对试件两侧焊缝轴向初始应力施加系统、垂直焊缝方向初始应力施加系统的调整,得到所需的焊缝多轴应力状态,启动疲劳试验机并调制所需加载频率,开始基于焊缝多轴应力状态的疲劳试验。
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