CN111398051A - 极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置及其试验方法，包括高频疲劳试验机，安装梯和可移动支架分别安在高频疲劳试验机的两侧；低温环境试验箱安装在可移动支架的顶部，其滚轮嵌入在可移动支架的轨道内；待测试件的延长段由高频疲劳试验机的液压夹头加持，其试验段被低温环境试验箱包裹。本发明准确可靠地模拟极地环境，可实现极地环境不同温度下船舶结构件力学性能考核，整个发明装置集成化、模块化程度高，安装操作方便，低温环境试验箱可适应多种船舶结构件形式，大大提高试验设备的利用率，本发明还可推广应用于钢绞线、高强度螺栓和复合材料结构考核，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及极地环境下船舶结构性能测试装置技术领域，尤其是一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置及其试验方法。
背景技术
极地船舶是极地航线运输和极地资源勘探开发的主要平台，极地船舶所用的建造材料和焊接工艺直接决定了极地船舶的使用安全可靠性和能效指数。在极地环境下，随着船舶服役温度的降低，船舶建造钢材的韧性和抵抗裂纹失稳扩展的能力下降，低应力脆性断裂倾向增大，表明低温环境下船用钢材的力学性能较室温环境下明显不同，低温环境对冰区船舶结构的极限承载能力和疲劳性能具有较大的影响，甚至威胁船舶的航行安全。此外，极地航行船舶是庞大复杂的大型焊接结构，除建造材料外，焊接工艺也是关键环节，焊接接头、纵环焊缝中如果出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，这些缺陷容易产生裂纹，而这些缺陷在低温环境以及冰激振动的共同作用下可能产生裂纹的扩展，从而导致结构发生破坏。
为保证极地航行船舶的选材合理性和焊接工艺可靠性，亟需建立极地低温船舶钢材及其焊接结构的静/动态力学性能测试装置及其试验方法。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置及其试验方法，主要用于开展极地低温环境下船舶结构钢材以及典型焊接工艺的科学试验研究，是研究其结构强度、疲劳特性以及裂纹扩展特性等关键结构力学性能的重要手段，是极地航行船舶结构安全性的基础保障。
本发明所采用的技术方案如下：
一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，包括安装在地基上的高频疲劳试验机，高频疲劳试验机的两侧分别设置有安装梯和可移动支架；可移动支架的顶部安装低温环境试验箱，其底部滚轮嵌入在可移动支架的轨道内；待测试件的延长段由高频疲劳试验机的两个沿竖直方向对应设置的液压夹头加持，待测试件的试验段被低温环境试验箱包裹。
其进一步技术方案在于：
所述高频疲劳试验机由液压油源和双立柱机架组成；所述双立柱机架的结构为：包括两平行间隔设置的横梁底座，每个横梁底座下表面两侧分别与固定于地基上的减震空气弹簧连接；两个横梁底座的上表面中部设有下横梁，下横梁上表面中部安装有高频液压作动器，两端分别安装立柱，装有载荷传感器的上横梁套设于两根立柱顶端，上横梁两端安装有锁紧油缸；横梁底座的两侧面分别通过升降液压缸底座安装竖向设置的升降液压缸，两升降液压缸的输出端分别与上横梁的两端固定；所述高频液压作动器活塞杆上端和载荷传感器下端分别安装所述液压夹头，所述高频液压作动器、升降液压缸、液压夹头和锁紧油缸通过高压油管与液压油源相连接。
所述低温环境试验箱的结构为：包括低温箱箱体，其内封装有制冷压缩机组及升温、除霜加热器，低温箱箱体一侧具有空腔，空腔一侧的开口通过与低温箱箱体铰接的箱体门打开或关闭；位于空腔上下壁中对应设有两个凸形开口，上下凸形开口内分别嵌入凹形易拆卡套，形成矩形开孔，上下矩形开孔的中心连线处于竖直方向，待测试件沿竖直方向穿过两个矩形开孔，并在与矩形开孔形成的间隙中设置箱体密封塞。
箱体门中部配有双硅胶密封及密封条防霜加热装置，门上设有一个观察窗；低温箱箱体侧面设有一个观察窗；所有观察窗设有防霜加热装置，观察窗材质为镀膜中空玻璃；低温箱箱体上开有测试引线孔，配有可穿过测试引线的硅胶发泡塞；低温箱箱体内有防潮照明灯，具备开关功能，所用电压为安全电压；低温箱箱体底部设有冷凝水排水口；两根角铁安装在低温箱箱体底部，四个所述滚轮分别安装在两根角铁的两端。
箱体密封塞根据待测试件的形状和尺寸定制形状，实现通孔周围密封严实，无结霜现象。
所述可移动支架的结构包括架体，低温环境试验箱的滚轮嵌入其中的所述轨道，设于架体顶部，轨道上安装沿其滑动的定位斜铁；轨道向一端设有延伸段，其上安装沿其滑动的可拆卸支腿，可拆卸支腿底部设有可抵在安装梯上的高度调节螺杆；通过限位销将可拆卸支腿固定在轨道上；架体底部设有四个万向轮，架体底部通过四个高度调节螺杆抵在地面上，万向轮上设有用于固定可移动支架的位置有锁死装置。
一种极地环境船舶结构静动态力学性能试验方法，包括以下步骤：
第一步：按照低温电阻应变计粘贴技术规程，在待测试件和同种材料的温度补偿块上分别安装低温电阻应变计并连接测试导线；
第二步：将高频疲劳试验机、低温环境试验箱、可移动支架以及安装梯装配完成，通过调节可移动支架上的万向轮，使得低温环境试验箱处在高频疲劳试验机两根立柱的左右中间位置；通过调节可移动支架上的高度调节螺杆，使得低温箱箱体上下表面分别平行于上下液压夹头；调节定位斜铁，使得低温环境试验箱凸形开口的中心线与高频疲劳试验机的中心线重合；
第三步：上下液压夹头分别夹持待测试件的两端，同时，待测试件穿过上下两个凸形开口，调节待测试件的中心线与高频疲劳试验机的中心轴线相重合；将安装有低温电阻应变计的温度补偿块放入低温环境试验箱内，并将待测试件和温度补偿块的测试导线穿过低温环境试验箱上的测试引线孔，之后用硅胶发泡塞密封引线孔；将测试导线接入到应变测试系统上；
第四步：安装两块凹形易拆卡套，与所述凸形开口形成容纳待测试件的矩形开孔，用箱体密封塞将待测试件与矩形开孔间的间隙密封严实，关闭箱体门；
第五步：仔细检查试验测试装置的各个部位，确保无安全风险后，松开下液压夹头，使得待测试件处于无约束的自由可伸缩状态；设定目标温度，开启制冷压缩机给低温环境试验箱降温；
第六步：待到低温环境试验箱内的温度达到目标温度一段时间之后，下液压夹头夹持待测试件，开启液压油源和力值载荷加载系统，按照试验大纲给定的力值载荷加载程序，开展待测试件在低温环境下的静/动态力学性能试验，应变测试系统实时监测试验过程中试件的响应数据。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的实现一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置及其试验方法，可以考核验证极地航行船舶建造材料和典型焊接工艺在低温环境下的静/动态力学性能，对在极端恶劣工况下服役的极地航行船舶的结构安全可靠性具有重要的指导意义。
本发明准确可靠地模拟极地环境，可实现极地环境不同温度下船舶结构件力学性能考核，整个发明装置集成化、模块化程度高，安装操作方便，低温环境试验箱可适应多种船舶结构件形式，大大提高试验设备的利用率，同时本发明还可推广应用于钢绞线、高强度螺栓和复合材料结构考核。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的侧视结构示意图。
图3为本发明的正视结构示意图。
图4为本发明的高频疲劳试验机结构示意图。
图5为本发明的低温环境试验箱凹形易拆卡套准备安装状态示意图。
图6为本发明的安装梯结构示意图。
其中：100、高频疲劳试验机；101、减震空气弹簧；102、升降液压缸底座；103、升降液压缸；104、高频液压作动器；105、立柱；106、载荷传感器；107、上横梁；108、锁紧油缸；109、液压夹头；110、下横梁；111、横梁底座；200、待测试件；300、低温环境试验箱；301、箱体门；302、凹形易拆卡套；303、滚轮；304、角铁；305、硅胶发泡塞；306、观察窗；307、箱体密封塞；308、低温箱箱体；309、制冷压缩机组；400、可移动支架；401、万向轮；402、高度调节螺杆；403、架体；404、限位销；405、定位斜铁；406、轨道；407、可拆卸支腿；500、安装梯。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3及图5和图6所示，本实施例的极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，包括安装在地基上的高频疲劳试验机100，高频疲劳试验机100的两侧分别设置有安装梯500和可移动支架400；可移动支架400的顶部安装低温环境试验箱300，其底部滚轮303嵌入在可移动支架400的轨道406内；待测试件200的延长段由高频疲劳试验机100的两个沿竖直方向对应设置的液压夹头109加持，待测试件200的试验段被低温环境试验箱300包裹。
如图4所示，高频疲劳试验机100由液压油源和双立柱机架组成；
双立柱机架的结构为：包括两平行间隔设置的横梁底座111，每个横梁底座111下表面两侧分别与固定于地基上的减震空气弹簧101连接；
两个横梁底座111的上表面中部设有下横梁110，下横梁110上表面中部安装有高频液压作动器104，两端分别安装立柱105，装有载荷传感器106的上横梁107套设于两根立柱105顶端，上横梁107两端安装有锁紧油缸108；
横梁底座111的两侧面分别通过升降液压缸底座102安装竖向设置的升降液压缸103，两升降液压缸103的输出端分别与上横梁107的两端固定；高频液压作动器104活塞杆上端和载荷传感器106下端分别安装液压夹头109，高频液压作动器104、升降液压缸103、液压夹头109和锁紧油缸108通过高压油管与液压油源相连接。
如图5所示，低温环境试验箱300的结构为：包括低温箱箱体308，其内封装有制冷压缩机组309及升温、除霜加热器，低温箱箱体308一侧具有空腔，空腔一侧的开口通过与低温箱箱体308铰接的箱体门301打开或关闭；位于空腔上下壁中对应设有两个凸形开口，上下凸形开口内分别嵌入凹形易拆卡套302，形成矩形开孔，上下矩形开孔的中心连线处于竖直方向，待测试件200沿竖直方向穿过两个矩形开孔，并在与矩形开孔形成的间隙中设置箱体密封塞307。
箱体门301中部配有双硅胶密封及密封条防霜加热装置，门上设有一个观察窗306；低温箱箱体308侧面设有一个观察窗306；所有观察窗306设有防霜加热装置，观察窗306材质为镀膜中空玻璃；低温箱箱体308上开有测试引线孔，配有可穿过测试引线的硅胶发泡塞305；低温箱箱体308内有防潮照明灯，具备开关功能，所用电压为安全电压；低温箱箱体308底部设有冷凝水排水口；两根角铁304安装在低温箱箱体308底部，四个滚轮303分别安装在两根角铁304的两端。
箱体密封塞307根据待测试件200的形状和尺寸定制形状，实现通孔周围密封严实，无结霜现象。
如图6所示，可移动支架400的结构包括架体403，低温环境试验箱300的滚轮303嵌入其中的轨道406，设于架体403顶部，轨道406上安装沿其滑动的定位斜铁405；
轨道406向一端设有延伸段，其上安装沿其滑动的可拆卸支腿407，可拆卸支腿407底部设有可抵在安装梯500上的高度调节螺杆402，可拆卸支腿407移动至安装梯500的特定位置后，通过限位销404将可拆卸支腿407固定在轨道406上；
架体403底部设有四个万向轮401，架体403底部通过四个高度调节螺杆402抵在地面上，万向轮401上设有用于固定可移动支架400的位置有锁死装置。
本实施例的极地环境船舶结构静动态力学性能试验方法，包括以下步骤：
第一步：按照低温电阻应变计粘贴技术规程，在待测试件200和同种材料的温度补偿块上分别安装低温电阻应变计并连接测试导线；
第二步：将高频疲劳试验机100、低温环境试验箱300、可移动支架400以及安装梯500装配完成，通过调节可移动支架400上的万向轮401，使得低温环境试验箱300处在高频疲劳试验机100两根立柱105的左右中间位置；通过调节可移动支架400上的高度调节螺杆402，使得低温箱箱体308上下表面分别平行于上下液压夹头109；调节定位斜铁405，使得低温环境试验箱300凸形开口的中心线与高频疲劳试验机100的中心线重合；
第三步：上下液压夹头109分别夹持待测试件200的两端，同时，待测试件200穿过上下两个凸形开口，调节待测试件200的中心线与高频疲劳试验机100的中心轴线相重合；将安装有低温电阻应变计的温度补偿块放入低温环境试验箱300内，并将待测试件200和温度补偿块的测试导线穿过低温环境试验箱300上的测试引线孔，之后用硅胶发泡塞305密封引线孔；将测试导线接入到应变测试系统上；
第四步：安装两块凹形易拆卡套302，与凸形开口形成容纳待测试件200的矩形开孔，用箱体密封塞307将待测试件200与矩形开孔间的间隙密封严实，关闭箱体门301；
第五步：仔细检查试验测试装置的各个部位，确保无安全风险后，松开下液压夹头109，使得待测试件200处于无约束的自由可伸缩状态；设定目标温度，开启制冷压缩机给低温环境试验箱300降温；
第六步：待到低温环境试验箱300内的温度达到目标温度一段时间之后，下液压夹头109夹持待测试件200，开启液压油源和力值载荷加载系统，按照试验大纲给定的力值载荷加载程序，开展待测试件200在低温环境下的静/动态力学性能试验，应变测试系统实时监测试验过程中试件的响应数据。
本发明装置集成化、模块化程度高，安装操作方便，低温环境试验箱可适应多种船舶结构件形式，大大提高试验设备的利用率，同时本发明还可推广应用于钢绞线、高强度螺栓和复合材料结构考核，适用范围广。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (7)
1.一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于：包括安装在地基上的高频疲劳试验机(100)，高频疲劳试验机(100)的两侧分别设置有安装梯(500)和可移动支架(400)；可移动支架(400)的顶部安装低温环境试验箱(300)，其底部滚轮(303)嵌入在可移动支架(400)的轨道(406)内；
待测试件(200)的延长段由高频疲劳试验机(100)的两个沿竖直方向对应设置的液压夹头(109)加持，待测试件(200)的试验段被低温环境试验箱(300)包裹。
2.如权利要求1所述的一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于：所述高频疲劳试验机(100)由液压油源和双立柱机架组成；所述双立柱机架的结构为：包括两平行间隔设置的横梁底座(111)，每个横梁底座(111)下表面两侧分别与固定于地基上的减震空气弹簧(101)连接；两个横梁底座(111)的上表面中部设有下横梁(110)，下横梁(110)上表面中部安装有高频液压作动器(104)，两端分别安装立柱(105)，装有载荷传感器(106)的上横梁(107)套设于两根立柱(105)顶端，上横梁(107)两端安装有锁紧油缸(108)；
横梁底座(111)的两侧面分别通过升降液压缸底座(102)安装竖向设置的升降液压缸(103)，两升降液压缸(103)的输出端分别与上横梁(107)的两端固定；
所述高频液压作动器(104)活塞杆上端和载荷传感器(106)下端分别安装所述液压夹头(109)，所述高频液压作动器(104)、升降液压缸(103)、液压夹头(109)和锁紧油缸(108)通过高压油管与液压油源相连接。
3.如权利要求1所述的一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于：所述低温环境试验箱(300)的结构为：包括低温箱箱体(308)，其内封装有制冷压缩机组(309)及升温、除霜加热器，低温箱箱体(308)一侧具有空腔，空腔一侧的开口通过与低温箱箱体(308)铰接的箱体门(301)打开或关闭；
位于空腔上下壁中对应设有两个凸形开口，上下凸形开口内分别嵌入凹形易拆卡套(302)，形成矩形开孔，上下矩形开孔的中心连线处于竖直方向，待测试件(200)沿竖直方向穿过两个矩形开孔，并在与矩形开孔形成的间隙中设置箱体密封塞(307)。
4.如权利要求3所述的一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于：箱体门(301)中部配有双硅胶密封及密封条防霜加热装置，门上设有一个观察窗(306)；低温箱箱体(308)侧面设有一个观察窗(306)；所有观察窗(306)设有防霜加热装置，观察窗(306)材质为镀膜中空玻璃；低温箱箱体(308)上开有测试引线孔，配有可穿过测试引线的硅胶发泡塞(305)；低温箱箱体(308)内有防潮照明灯，具备开关功能，所用电压为安全电压；低温箱箱体(308)底部设有冷凝水排水口；两根角铁(304)安装在低温箱箱体(308)底部，四个所述滚轮(303)分别安装在两根角铁(304)的两端。
5.如权利要求3所述的一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于；箱体密封塞(307)根据待测试件(200)的形状和尺寸定制形状，实现通孔周围密封严实，无结霜现象。
6.如权利要求1所述的一种极地环境船舶结构静动态力学性能测试装置，其特征在于：所述可移动支架(400)的结构包括架体(403)，低温环境试验箱(300)的滚轮(303)嵌入其中的所述轨道(406)，设于架体(403)顶部，轨道(406)上安装沿其滑动的定位斜铁(405)；
轨道(406)向一端设有延伸段，其上安装沿其滑动的可拆卸支腿(407)，可拆卸支腿(407)底部设有可抵在安装梯(500)上的高度调节螺杆(402)；通过限位销(404)将可拆卸支腿(407)固定在轨道(406)上；
架体(403)底部设有四个万向轮(401)，架体(403)底部通过四个高度调节螺杆(402)抵在地面上，万向轮(401)上设有用于固定可移动支架(400)的位置有锁死装置。
7.一种极地环境船舶结构静动态力学性能试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：按照低温电阻应变计粘贴技术规程，在待测试件(200)和同种材料的温度补偿块上分别安装低温电阻应变计并连接测试导线；
第二步：将高频疲劳试验机(100)、低温环境试验箱(300)、可移动支架(400)以及安装梯(500)装配完成，通过调节可移动支架(400)上的万向轮(401)，使得低温环境试验箱(300)处在高频疲劳试验机(100)两根立柱(105)的左右中间位置；
通过调节可移动支架(400)上的高度调节螺杆(402)，使得低温箱箱体(308)上下表面分别平行于上下液压夹头(109)；调节定位斜铁(405)，使得低温环境试验箱(300)凸形开口的中心线与高频疲劳试验机(100)的中心线重合；
第三步：上下液压夹头(109)分别夹持待测试件(200)的两端，同时，待测试件(200)穿过上下两个凸形开口，调节待测试件(200)的中心线与高频疲劳试验机(100)的中心轴线相重合；
将安装有低温电阻应变计的温度补偿块放入低温环境试验箱(300)内，并将待测试件(200)和温度补偿块的测试导线穿过低温环境试验箱(300)上的测试引线孔，之后用硅胶发泡塞(305)密封引线孔；将测试导线接入到应变测试系统上；
第四步：安装两块凹形易拆卡套(302)，与所述凸形开口形成容纳待测试件(200)的矩形开孔，用箱体密封塞(307)将待测试件(200)与矩形开孔间的间隙密封严实，关闭箱体门(301)；
第五步：仔细检查试验测试装置的各个部位，确保无安全风险后，松开下液压夹头(109)，使得待测试件(200)处于无约束的自由可伸缩状态；设定目标温度，开启制冷压缩机给低温环境试验箱(300)降温；
第六步：待到低温环境试验箱(300)内的温度达到目标温度一段时间之后，下液压夹头(109)夹持待测试件(200)，开启液压油源和力值载荷加载系统，按照试验大纲给定的力值载荷加载程序，开展待测试件(200)在低温环境下的静/动态力学性能试验，应变测试系统实时监测试验过程中试件的响应数据。
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