CN110686987A - 一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法 - Google Patents

一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法，属于应急断开测试技术领域。装置包括结构件、底座、动载荷加载平台、定滑轮、落锤和橡胶垫。底座固定，用于支撑结构件；动载荷加载平台与结构件连接。落锤通过钢丝绳索和定滑轮，悬挂于动载荷加载平台受力面正上方。本发明测试装置构造简单，便于加工，操作简便，可实现结构件在不同冲击载荷作用下的剪断试验，同时可对载荷作用时间及夹具速度变化量作进一步的限定，从而反映结构件在不同冲击能量下的力学行为，补充了应急断开自封结构动载荷剪断测试研究方面的空白，在对于进一步考察应急断开自封结构合格与否和进一步规范应急断开自封结构的使用条件有重要意义。

Description

一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法，属于应急断开测试技术领域。
背景技术
应急断开自封结构是航空液压、液冷和燃油等系统中必不可少的组成单元，其是在自封结构的某部位预置薄弱区域，常用于油箱与燃油导管的连接、油箱与油箱的连接以及直升机结构变形可能导致燃油系统破坏一些点的连接。在紧急情况下，如飞机发生坠撞或存在坠毁风险时，要求应急断开自封结构在受到一定载荷作用时，其薄弱区发生断裂破坏，以保护燃油系统。同时为防止飞行或维护中的意外受载对结构的影响，要求自封结构的断开载荷大于连接位置的使用载荷、而小于油管自身的破坏载荷。“军用直升机抗坠毁要求GJB 2681A-2015 11.3.6.3.2”中对应急自封结构的实际断开载荷试验测试提出了更高的要求，其断开载荷试验涉及到载荷大小、作用时间和夹具速度变化量等方面。因此，断开试验中需同时兼顾载荷大小、作用时间和夹具速度变化量，是应急断开自封结构断开试验的技术难点。
目前，国内对于应急断开自封结构的研究仍处于起步阶段，其动载荷剪断试验研究尚无相关公开报道。同时，现阶段对动载荷试验的装置和方法多集中于拉伸动载荷试验，多采用杠杆加载-载荷放大机构将冲击载荷转换为所需试验载荷，传力路径的复杂性导致了在试验过程中难以对载荷作用时间及夹具速度变化量作进一步的限定。此外，由于应急断开自封结构在使用过程中受力形式复杂，单一地拉断试验不能准确的反映其在使用中的受力情况以及破坏状态。因此，急需发明一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断测试装置及方法，以反映应急断开自封结构在剪力冲击工况下的力学特性以及破坏行为。这对于进一步考察应急断开自封结构合格与否和进一步规范应急断开自封结构的使用条件有着重大意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置及方法，本发明通过释放落锤，加载平台受到冲击载荷作用，并将冲击载荷以剪力的形式作用于结构件以达到试验目的，可实现结构件在不同冲击载荷作用下的剪断试验。
本发明是这样实现的：
一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，包括定滑轮组组件以及落锤组件，所述的落锤组件下方设置有结构件装夹装置；所述的结构件装夹装置包括底座，底座上方固定设置有结构件，所述的结构件端部设置有动载荷加载平台，所述的动载荷加载平台用于将落锤施加的冲击载荷以剪力的形式作用于结构件上。所述的结构件预置有薄弱区；所述的结构件的预置薄弱区伸出底座的端面外；所述的动载荷加载平台包括受力面，所述的受力面下侧两端的直角区域分别设置有加强肋；所述的受力面位于落锤组件的正下方。底座与所述固定试验平台固定连接，且保持底座和固定试验平台一端面齐平，以确保结构件的预置薄弱区能够伸出固定试验平台端面外，所述的底座用于固定支撑所述结构件。动载荷加载平台具有承受动载荷的受力面，用于承受落锤施加的冲击载荷，受力面与地面相平行设置。
进一步，在动载荷加载平台的受力面上方设置有橡胶垫。橡胶垫放置于所述动载荷加载平台受力面上，起到减震和保护所述动载荷加载平台的作用。
进一步，所述的动载荷加载平台下端还设置有内螺纹；动载荷加载平台通过所述的内螺纹与结构件连接处的外螺纹进行螺纹紧固连接。
进一步，所述的结构件装夹装置通过固定试验平台与地面固连。
进一步，所述的定滑轮组组件包括定滑轮，将定滑轮悬挂于承力墙上固定，利用钢丝绳索一端与固定台释放地连接，另一端绕过定滑轮与落锤组件固定连接，用于无初速度地释放所述落锤。落锤位于所述受力面正上方一定高度处。释放所述钢丝绳索，所述落锤进行自由落体运动，产生作用于所述受力面的冲击载荷。固定台和固定试验平台相保持一定距离设置，且与地面固连，分别用于连接钢丝绳索和固定支撑结构件装夹装置。
进一步，所述的落锤组件包括落锤，落锤的锤柄处设置有加速度传感器，所述的加速度传感器外接有动态信号分析仪。
将橡胶垫放置于受力面上，用于对载荷作用时间及夹具速度变化量进行限定，同时起到减震和保护所述动载荷加载平台的作用。加速度传感器可以粘贴在落锤的锤柄上，用于测试所述落锤的加速度。动态信号分析仪与加速度传感器相连接，用于处理冲击加速度信号，获得冲击载荷大小、载荷作用时间及所述动载荷加载平台承受的速度变化量。对于落锤的质量和所述橡胶垫的规格，视调试试验的结果进行选择。
本发明中的底座与固定试验平台、结构件与底座之间均采用螺栓进行固接。
本发明还公开了一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置的试验方法，其特征在于，所述的方法为测试装置对结构件施加动载荷剪力，确定结构件的径向剪切载荷范围；具体步骤如下：
步骤1)、在正式试验之前首先进行调试试验：调试试验采用摸底件替代结构件进行调试；将所述落锤移动到载荷受力面正上方一定高度h；快速释放所述落锤，使所述落锤以一定的速度撞击所述动载荷加载平台；选取用于所述结构件径向载荷上下限正式试验对应质量的落锤及橡胶垫，进而获取需要的冲击载荷作用时间和载荷值，同时检查加载系统与测试系统是否满足试验要求，如加载系统和测试系统工作正常可靠，则进行正式试验；
步骤2)、正式试验一：下限载荷试验：选用调试试验所获取的质量的落锤及橡胶垫，对结构件施加动载荷为接近合格判据所规定的径向载荷范围下限载荷值，以验证其在较小动载荷作用下不会发生断裂；重复步骤一中加载步骤，用落锤撞击所述动载荷加载平台，同时加速度传感器测量加速度，并由动态信号分析仪获取冲击加速度信号，进而获得载荷作用时间、速度变化量以及冲击载荷大小；
步骤3)、正式试验二：破坏载荷试验：换用调试试验所获取的质量的落锤及橡胶垫；对结构件施加动载荷为小于合格判据所规定的径向载荷范围上限载荷值；重复步骤2)中加载方法与计算方法；若所述结构件在预置薄弱区发生断裂，则记录此时动载荷为所述结构件的剪切破坏载荷。
进一步，该方法采用重物自由落体的方式，将所需冲击时的初始速度v带入下式，即可求得所述落锤释放高度h。
Figure BDA0002226478340000031
其中m为重物质量，g为重力加速度；取值9.8m/s2；，h为所述落锤释放高度，v为冲击时的初始速度；
所述的落锤冲击载荷作用过程中，质量与载荷的关系可由牛顿第二定理获得：
F＝m·Δv/Δt＝m·a
其中m为重物质量，a为冲击加速度，因此，可根据实测所述落锤的m、a，获取所述落锤对所述结构件实际施加的动载荷F，并根据载荷脉冲信号获得载荷作用总时间。
综上，本发明的测试装置构造简单，便于加工，操作简便，可实现结构件在不同冲击载荷作用下的剪断试验，同时可对载荷作用时间及夹具速度变化量作进一步的限定，从而反映结构件在不同冲击能量下的力学行为，能够完成相关试验任务，补充了应急断开自封结构动载荷剪断测试研究方面的空白，在对于进一步考察应急断开自封结构合格与否和进一步规范应急断开自封结构的使用条件有重要意义。
本发明与现有技术相比有益效果如下：
1)装置构造简单，安装工艺简单，方便试验开展，可行性高；
2)选用不同质量的所述落锤和所述橡胶垫可实现在不同冲击载荷下的剪切试验，调控范围广，进而获得所述结构件在不同冲击能量下的力学行为；
3)测试步骤简便，试验周期短；
4)测试方案完善，能够较便捷地获得所述结构件的径向剪切载荷范围。
附图说明
图1为本发明的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断测试装置的结构示意图；
图2为本发明的结构件装夹装置的示意图；
图3为本发明的底座的示意图；
图4为本发明的动载荷加载平台的示意图；
图中，1-固定台，2-钢丝绳索，3-定滑轮，4-落锤，5-加速度传感器，6-动态信号分析仪，7-固定试验平台，8-结构件装夹装置，8-1-底座，8-2-结构件，8-3-动载荷加载平台，8-4-结构件的预置薄弱区，8-31加强肋，8-32内螺纹，8-33受力面，9-橡胶垫。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明公开了一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断测试装置，包括定滑轮组组件以及落锤组件，其中具体包含固定台1、钢丝绳索2、定滑轮3、落锤4、加速度传感器5、动态信号分析仪6、固定试验平台7、结构件装夹装置8、底座8-1、结构件8-2、动载荷加载平台8-3、加强肋8-31、内螺纹8-32、受力面8-33、橡胶垫9。固定台1和固定试验平台7均与地面固连。定滑轮3固定悬挂于承力墙。钢丝绳索2一端与固定台1可释放地连接，另一端绕过定滑轮3与落锤4固定连接。加速度传感器5通过胶接粘贴于落锤4的锤柄处，用于测量落锤4的加速度。加速度传感器5外接有动态信号分析仪6。动态信号分析仪6用于处理冲击加速度信号，获得冲击载荷大小、载荷作用时间及动载荷加载平台8-3承受的速度变化量。
如图2所示，结构件装夹装置8包括底座8-1，结构件8-2，动载荷加载平台8-3。其中结构件8-2预置有薄弱区8-4。
如图3所示，底座8-1的四角设置有螺纹孔，通过螺栓固连在固定试验平台7上，并使底座8-1和固定试验平台7的一端面保持齐平，以确保结构件的预置薄弱区8-4能够伸出端面外。这样，当结构件8-2在受到冲击载荷作用发生断裂破坏时，不会砸向固定试验平台7。结构件8-2通过底座8-1中间的四个螺纹孔与底座8,1进行螺栓连接。
如图4所示，动载荷加载平台8-3的相对两侧分别设置有加强肋8-31。目的是为了提高动载荷加载平台8-3的刚度。动载荷加载平台8-3设置有内螺纹8-32，与结构件8-2连接处的外螺纹进行螺纹连接。动载荷加载平台8-3用于将冲击载荷转化为剪力作用于结构件8-2。
如图1所示，动载荷加载平台8-3具有受力面8-33。落锤4悬挂于受力面8-33的正上方一定高度h处。橡胶垫9放置于受力面8-33上，用于对载荷作用时间及夹具速度变化量进行限定，同时起到减震和保护动载荷加载平台8-3的作用。对于落锤4的质量和橡胶垫9的规格，视调试试验的结果进行选择。
本发明还公开了一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断测试方法以及测试原理。原理说明如下：
(1)本试验采用重物自由落体的方式。将所需冲击时的初始速度v带入下式，即可求得所述落锤释放高度h。
Figure BDA0002226478340000061
其中m为重物质量，g为重力加速度(取值9.8m/s2)，h为所述落锤释放高度，v为冲击时的初始速度。
(2)在所述落锤冲击载荷作用过程中，质量与载荷的关系可由牛顿第二定理获得：
F＝m·Δv/Δt＝m·a
其中m为重物质量，a为冲击加速度。因此，可根据实测所述落锤的m、a，获取所述落锤对所述结构件实际施加的动载荷F，并根据载荷脉冲信号获得载荷作用总时间。
测试方法说明如下：
在正式试验之前首先进行调试试验。调试试验采用摸底件替代所述结构件进行调试。将所述落锤移动到所述受力面正上方一定高度h。快速释放所述落锤，使所述落锤以一定的速度撞击所述动载荷加载平台。其目的是选取用于所述结构件径向载荷上下限正式试验时合适质量的所述落锤及合适的所述橡胶垫，进而获取需要的冲击剪切载荷作用时间和载荷值。同时检查加载系统与测试系统是否满足试验要求，如加载系统和测试系统工作正常可靠，则进行正式试验。
正式试验一：下限载荷试验。选用调试试验所获取的合适质量的所述落锤及所述橡胶垫，对所述结构件施加动载荷为接近合格判据所规定的径向载荷范围下限载荷值，以验证所述结构件在较小动载荷作用下不会发生断裂。重复一中加载步骤，用所述落锤撞击所述动载荷加载平台。用所述加速度传感器测量加速度，并由所述动态信号测试仪获取冲击加速度信号，采用测试原理中给出的计算方法，获得载荷作用时间、速度变化量以及冲击载荷大小。
正式试验二：破坏载荷试验。换用调试试验所获取的合适的质量的所述落锤及所述橡胶垫。对所述结构件施加动载荷为略小于合格判据所规定的径向载荷范围上限载荷值。重复步骤二中加载方法与计算方法。若所述结构件在预置薄弱区发生断裂，则记录此时动载荷为所述结构件的剪切破坏载荷。
使用该测试装置对结构件8-2施加动载荷剪力的方法如下：
(1)根据测试要求，选取质量合适的落锤4，并计算高度h。连接试验装置，将结构件装夹装置8固定于固定试验平台7。通过钢丝绳索2将落锤4悬挂于受力面8-33的正上方一定高度h处。
(2)将与固定台1相连钢丝绳索2的一端进行释放，使落锤4做自由落体运动，所形成的冲击载荷作用于受力面8-33。
(3)动载荷加载平台8-3将冲击载荷以剪力的形式作用于结构件8-2，以达到动载荷弯断试验的目的。
综上所述，本发明的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断测试装置构造简单，通过选择合适质量的落锤4和橡胶垫9可实现不同冲击载荷作用下的动态试验，测试周期短，能够简单便捷地确定结构件8-2的径向剪切载荷范围。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，目的是为了让相关人士更好的理解本发明的内容。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同代换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，包括定滑轮组组件以及落锤组件，其特征在于，所述的落锤组件下方设置有结构件装夹装置(8)；所述的结构件装夹装置(8)包括底座(8-1)，底座(8-1)上方固定设置有结构件(8-2)，所述的结构件(8-2)端部设置有动载荷加载平台(8-3)；所述的结构件(8-2)预置有薄弱区(8-4)；所述的结构件的预置薄弱区(8-4)伸出底座(8-1)的端面外；所述的动载荷加载平台(8-3)包括受力面(8-33)，所述的受力面(8-33)下侧两端的直角区域分别设置有加强肋(8-31)；所述的受力面(8-33)位于落锤组件的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，其特征在于，在动载荷加载平台(8-3)的受力面(8-33)上方设置有橡胶垫(9)。
3.根据权利要求2所述的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，其特征在于，所述的动载荷加载平台(8-3)下端还设置有内螺纹(8-32)；动载荷加载平台(8-3)通过所述的内螺纹(8-32)与结构件(8-2)连接处的外螺纹进行螺纹紧固连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，其特征在于，所述的结构件装夹装置(8)通过固定试验平台(7)与地面固连。
5.根据权利要求1所述的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，其特征在于，所述的定滑轮组组件包括定滑轮(3)，将定滑轮(3)悬挂于承力墙上固定，利用钢丝绳索(2)一端与固定台(1)可释放地连接，另一端绕过定滑轮(3)与落锤组件固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置，其特征在于，所述的落锤组件包括落锤(4)，落锤(4)的锤柄处设置有加速度传感器(5)，所述的加速度传感器(5)外接有动态信号分析仪(6)。
7.一种如权利要求1～6任一所述的用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置的试验方法，其特征在于，所述的方法为测试装置对结构件(8-2)施加动载荷剪力，确定结构件(8-2)的径向剪切载荷范围；具体步骤如下：
步骤1)、在正式试验之前首先进行调试试验：调试试验采用摸底件替代结构件(8-2)进行调试；将所述落锤(4)移动到载荷受力面正上方一定高度h；快速释放所述落锤(4)，使所述落锤(4)以一定的速度撞击所述动载荷加载平台(8-3)；选取用于所述结构件(8-2)径向载荷上下限正式试验对应质量的落锤(4)及橡胶垫(9)，进而获取需要的冲击载荷作用时间和载荷值，同时检查加载系统与测试系统是否满足试验要求，如加载系统和测试系统工作正常可靠，则进行正式试验；
步骤2)、正式试验一：下限载荷试验：选用调试试验所获取的质量的落锤(4)及橡胶垫(9)，对结构件(8-2)施加动载荷为接近合格判据所规定的径向载荷范围下限载荷值，以验证其在较小动载荷作用下不会发生断裂；重复步骤一中加载步骤，用落锤(4)撞击所述动载荷加载平台，同时加速度传感器(5)测量加速度，并由动态信号分析仪(6)获取冲击加速度信号，进而获得载荷作用时间、速度变化量以及冲击载荷大小；
步骤3)、正式试验二：破坏载荷试验：换用调试试验所获取的质量的落锤(4)及橡胶垫(9)；对结构件(8-2)施加动载荷为小于合格判据所规定的径向载荷范围上限载荷值；重复步骤2)中加载方法与计算方法；若所述结构件(8,2)在预置薄弱区发生断裂，则记录此时动载荷为所述结构件(8-2)的剪切破坏载荷。
8.根据权利要求7所述的用于应急断开自封结构的动载荷剪断试验装置的试验方法，其特征在于，该方法采用重物自由落体的方式，将所需冲击时的初始速度v带入下式，即可求得所述落锤释放高度h。
Figure FDA0002226478330000021
其中m为重物质量，g为重力加速度；取值9.8m/s2；，h为所述落锤释放高度，v为冲击时的初始速度；
所述的落锤冲击载荷作用过程中，质量与载荷的关系可由牛顿第二定理获得：
F＝m·Δv/Δt＝m·a
其中m为重物质量，a为冲击加速度，因此，可根据实测所述落锤的m、a，获取所述落锤对所述结构件实际施加的动载荷F，并根据载荷脉冲信号获得载荷作用总时间。
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