CN111458097A - 一种水下结构碰撞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下耐压结构碰撞试验技术领域，尤其是一种水下结构碰撞试验装置。其包括半开放式压力筒，半开放式压力筒内设有测量腔，半开放式压力筒上端面设有与测量腔连通的圆形的开口端；所述半开放式压力筒的开口端设有承压活塞；所述承压活塞上设有上下贯通的试件安装孔，半开放式压力筒的测量腔内设有柱壳结构试件，半开放式压力筒的测量腔内壁和承压活塞、柱壳结构试件之间填满液体。本发明在柱壳结构试件和承压活塞上分别设置独立的加压装置，能将作用在柱壳结构上的轴向应力和周向应力分离，通过变换两个独立的加压装置的载荷大小，能够改变柱壳结构试件的压应力状态，从而在不同应力状态下进行柱壳结构水下碰撞试验。

Description

一种水下结构碰撞试验装置

技术领域

本发明涉及水下耐压结构碰撞试验技术领域，尤其是一种水下结构碰撞试 验装置。

背景技术

深海装备在海洋资源开发中具有举足轻重的地位，近年来，我国深海装备 取得长足发展，其中“蛟龙号”和“深海勇士号”载人潜水器是先进深海装备 和技术的重要代表。

但是在发展工程问题的同时，相应的基础科学问题并没有得到有效的解决， 目前潜水器和潜艇等大型装备在设计时，针对水下发生碰撞的因素考虑不足， 设计时多是以安全系数的形式笼统涵盖，也并没有深入研究水下耐压结构及非 耐压结构发生碰撞时结构的变形响应与破坏机制。碰撞问题的研究在汽车与航 空领域研究比较多，但是以上两个领域的研究，受碰撞结构多是无预应力或是 以拉应力为主要预应力的状态(结构应力三轴度普遍为正值)，以上结构在模拟 试验时比较容易，并不需要对试验结构进行额外的改进。而在深海装备领域， 结构的应力状态与上述领域相比差距较大，结构受周围流体的围压作用，发生 碰撞之前耐压结构的应力三轴度普遍为负值。因此这为试验装置的设计带来了较大的难度，在常规的封闭式压力筒里，开展上述试验过于封闭，且不易观察 试验状态，无法准确把控试验现象与结果。同时，力学领域普遍认为，当结构 处于不同应力状态时(多数以应力三轴度和罗德参数表征)，其失效模式与机理 是不同的，当应力三轴度较高时(拉应力为主)，结构破坏多数呈法向方式，原 子结构是正向拉断，而当应力三轴度较低甚至为负值时(压应力为主)，结构破 坏以剪切破坏为主导机制，此时原子分离呈现45°滑移。在以上技术背景下， 本文提出了一种开展水下结构碰撞的试验装置，能够较好的覆盖柱壳结构的应 力状态变化范围，便于开展科学问题研究及工程问题验证。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水下结构碰撞试验装 置，能将作用在柱壳结构上的轴向应力和周向应力分离，从而在不同应力状态 下进行柱壳结构水下碰撞力学性能变化试验。

本发明所采用的技术方案如下：

一种水下结构碰撞试验装置，包括半开放式压力筒，所述半开放式压力筒 为圆柱形筒体结构，半开放式压力筒内设有测量腔，半开放式压力筒上端面设 有与测量腔连通的圆形的开口端；所述半开放式压力筒的开口端设有承压活塞， 承压活塞和半开放式压力筒的开口端之间为密封连接；

所述承压活塞上设有上下贯通的试件安装孔，半开放式压力筒的测量腔内 设置柱壳结构试件，柱壳结构试件和承压活塞的试件安装孔之间为密封连接， 柱壳结构试件上部从承压活塞的试件安装孔中伸出，半开放式压力筒的测量腔 内壁和承压活塞、柱壳结构试件之间填满液体；

所述柱壳结构试件为圆柱体结构，柱壳结构试件内设有应力测量腔，柱壳 结构试件的应力测量腔侧壁上设有多个应变片，所述半开放式压力筒外侧壁上 设有水密接头，水密接头和应力测量腔内的多个应变片电连接；

所述柱壳结构试件的上端面设有万能试验机，万能试验机能够向柱壳结构 试件的上端面提供轴向压力，承压活塞的上端面设有加压装置，加压装置能够 向承压活塞的上端面提供轴向压力，进而通过半开放式压力筒内的液体对柱壳 结构试件产生围压；

所述半开放式压力筒内侧壁上设有弹射平台，弹射平台上放置撞击球，撞 击球的后部设有弹射装置，弹射装置能够推动弹射平台上的撞击球撞击柱壳结 构试件的外侧壁；所述半开放式压力筒的内壁上设有速度传感器和加速度传感 器，速度传感器和加速度传感器能够检测碰撞过程中撞击球的速度和加速度变 化。

进一步的，承压活塞的外圆周面和半开放式压力筒的开口端内壁面之间设 有外格莱圈。

进一步的，柱壳结构试件和承压活塞的试件安装孔之间设有内格莱圈。

进一步的，弹射装置包括固设在半开放式压力筒外侧壁上的弹射围壳，弹 射围壳内设有活塞腔，活塞腔内设有能够移动的弹射活塞，弹射活塞一端能够 穿过半开放式压力筒侧壁并接触弹射活塞，弹射围壳外侧设有高压气瓶，高压 气瓶通过气管连接弹射围壳的活塞腔，弹射活塞和半开放式压力筒侧壁之间设 有活塞格莱圈。

进一步的，加压装置为液压机构或配重。

进一步的，半开放式压力筒侧壁上设有观察窗基座，观察窗基座内固设有 透明材料制作的观察窗，观察窗位于弹射平台的下方位置。

进一步的，观察窗的横截面积从半开放式压力筒内侧向外侧逐渐变小。

进一步的，半开放式压力筒1底端面上设有定位凸台，柱壳结构试件底部 设有与定位凸台形状吻合的定位凹槽，柱壳结构试件通过定位凹槽定位连接在 半开放式压力筒的定位凸台上。

进一步的，柱壳结构试件偏心设置在开放式压力筒内，并且柱壳结构试件、 弹射平台和半开放式压力筒中心位置处于同一直线上。

本发明的有益效果如下：

本发明在柱壳结构试件和承压活塞上分别设置独立的加压装置，能将作用 在柱壳结构上的轴向应力和周向应力分离，通过变换两个独立的加压装置的载 荷大小，能够改变柱壳结构试件的压应力状态，从而在不同应力状态下进行柱 壳结构水下碰撞试验；加压装置能够采用配重加载或液压机构加载，避免了较 复杂的泵水和密封系统；半开放式压力筒侧壁上设置观察窗，工作人员透过观 察窗观察撞击球的撞击过程，记录柱壳结构试件水下撞击的失效全过程，并根 据试验观察情况调节试验的各项参数设置情况；柱壳结构试件偏心设置在开放 式压力筒内，能够充分利用开放式压力筒测量腔的空间范围进行碰撞测试；柱 壳结构试件通过定位凹槽定位连接在半开放式压力筒的定位凸台上，使得柱壳 结构试件更稳定的设置在半开放式压力筒内。

附图说明

图1为本发明的主视半剖图。

图2为本发明半开式压力筒的主视半剖图。

图3为本发明半开式压力筒的俯视图。

图4为本发明承压活塞的主视半剖图。

图5为本发明承压活塞的俯视图。

图6为本发明弹射装置的主视半剖图。

其中：1、半开放式压力筒；2、承压活塞；3、柱壳结构试件；4、测量腔； 5、外格莱圈；6、内格莱圈；7、应力测量腔；8、水密接头；9、弹射平台；10、 撞击球；11、弹射围壳；12、弹射活塞；13、高压气瓶；14、活塞格莱圈；15、 观察窗基座；16、观察窗；17、速度传感器；18、加速度传感器；19、定位凸 台；20、定位凹槽。

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所示，本发明主要包括半开放式压力筒1，半开放式压力筒1为圆 柱形筒体结构，半开放式压力筒1内设有用于承载液体的测量腔4，半开放式 压力筒1上端面设有与测量腔4连通的圆形的开口端。

如图1所示，半开放式压力筒1的开口端设有承压活塞2，承压活塞2和 半开放式压力筒1的开口端之间为密封连接。

如图1所示，为了保证承压活塞2和半开放式压力筒1的开口端之间的密 封性能，承压活塞2的外圆周面和半开放式压力筒1的开口端内壁面之间设有 外格莱圈5。

如图1所示，承压活塞2上设有上下贯通的试件安装孔，半开放式压力筒 1的测量腔4内设置柱壳结构试件3，柱壳结构试件3和承压活塞2的试件安装 孔之间为密封连接，柱壳结构试件3上部从承压活塞2的试件安装孔中伸出。 半开放式压力筒1的测量腔4内壁和承压活塞2、柱壳结构试件3之间填满液 体，液体能够采用油或水。

如图1所示，为了保证柱壳结构试件3和承压活塞2的试件安装孔之间的 密封性能，柱壳结构试件3和承压活塞2的试件安装孔之间设有内格莱圈6。

如图4所示，柱壳结构试件3为圆柱体结构，柱壳结构试件3内设有应力 测量腔7，柱壳结构试件3的应力测量腔7侧壁上设有多个应变片，应变片能 够测量柱壳结构试件3表面的应力变化。

如图2所示，半开放式压力筒1外侧壁上设有水密接头8，水密接头8和 应力测量腔7内的多个应变片电连接。

为了营造柱壳结构试件3为的压应力载荷环境，在进行试验时，如图1所 示，柱壳结构试件3的上端面设有万能试验机，万能试验机能够向柱壳结构试 件3的上端面提供轴向压力。承压活塞2的上端面设有液压机构或配重，液压 机构或配重能够向承压活塞2的上端面提供轴向压力，进而通过半开放式压力 筒1内的液体对柱壳结构试件3产生围压。

同时，作用在柱壳结构试件3的上端面上的轴向压力和对柱壳结构试件3 产生的围压能够根据需要进行改变，通过变换两个独立的加压装置的载荷大小， 能够改变柱壳结构试件3的压应力状态，从而能够进行不同压应力状态下柱壳 结构碰撞试验，

如图1所示，半开放式压力筒1内侧壁上设有弹射平台9，弹射平台9上 放置撞击球10，撞击球10的后部设有弹射装置，弹射装置能够推动弹射平台9 上的撞击球10撞击柱壳结构试件3的外侧壁。

如图6所示，弹射装置包括固设在半开放式压力筒1外侧壁上的弹射围壳 11，弹射围壳11内设有活塞腔，活塞腔内设有能够移动的弹射活塞12，弹射 活塞12一端能够穿过半开放式压力筒1侧壁并接触弹射活塞12。弹射围壳11 外侧设有高压气瓶13，高压气瓶13通过气管连接弹射围壳11的活塞腔。弹射 活塞12和半开放式压力筒1侧壁之间设有活塞格莱圈14。在进行弹射时，高 压气瓶13向活塞腔内提供高压气体，高压气体推动活塞腔内的活塞向前高速运 动，使得弹射活塞12快速碰撞撞击球10，撞击球10高速穿过半开放式压力筒1内的液体撞击柱壳结构试件3的外侧壁。

如图6所示，由于撞击球10在撞击运动过程中的运动轨迹为抛物线，为了 方便观察撞击球10对柱壳结构试件3的碰撞情况。半开放式压力筒1侧壁上设 有观察窗基座15，观察窗基座15内固设有透明材料制作的观察窗16，观察窗 16位于弹射平台9的下方位置。在使用时，工作人员透过观察窗16观察撞击 球10的撞击过程，记录柱壳结构试件3水下撞击的失效全过程，并根据试验观 察情况调节试验的各项参数设置情况。

为了提高观察窗16的观察视角，如图6所示，观察窗16的横截面积从半 开放式压力筒1内侧向外侧逐渐变小。

为了测量撞击球10的速度和加速度，半开放式压力筒1的内壁上设有速度 传感器17和加速度传感器18，速度传感器17和加速度传感器18能够检测碰 撞过程中撞击球10的速度和加速度变化。

如图5所示，为了在保证撞击球10撞击距离的基础上尽量缩小半开放式压 力筒1的尺寸，柱壳结构试件3偏心设置在开放式压力筒1内，并且柱壳结构 试件3、弹射平台9和半开放式压力筒1中心位置处于同一直线上。通过柱壳 结构试件3的偏心设置，充分利用开放式压力筒1测量腔的空间范围进行碰撞 测试。

如图2和图3所示，为了让柱壳结构试件3更稳定的设置在半开放式压力 筒1内，半开放式压力筒1底端面上设有定位凸台19，柱壳结构试件3底部设 有与定位凸台19形状吻合的定位凹槽20，柱壳结构试件3通过定位凹槽20定 位连接在半开放式压力筒1的定位凸台19上，实现柱壳结构试件3在半开放式 压力筒1内的定位安装。

本发明的工作原理是：首先，将半开放式压力筒1的速度传感器17和加速 度传感器18布置妥当，将弹射装置安装到位，撞击球10摆放在弹射平台9上， 并将柱壳结构试件3定位连接到半开放式压力筒1内。然后，向半开放式压力 筒1内注水，并安装好往承压活塞2，做好加压准备。

随后，通过如图1所示的F1和F2的设定，确定柱壳结构试件3的受载环 境，本发明相比于传统的压力筒(试件全部处于围压状态下)比较灵活，柱壳 结构试件3和承压活塞2的加压装置能够采用配重加载或液压机构加载，避免 了较复杂的泵水和密封系统，且本发明通过设定F1和F2的大小比例，能够调 整柱壳结构试件3的应力状态，能够用于研究不同应力状态下的水下结构碰撞 试验。在设定好载荷后，启用弹射装置，打开高压气瓶，控制气压大小，产生 活塞推力，推动撞击球10。速度传感器17及加速度传感器18保持测量状态，测定撞击球10撞击前的能量和撞击后的能量，以此差值作为柱壳结构试件3 吸收的总能量。

在碰撞试验过程中，试验人员能够通过观察窗16仔细观察撞击过程，明确 撞击位置，了解柱壳结构试件3在水下受压过程中撞击破坏过程与形式。

需要说明的是，由于半开放式压力筒1内部液体带有一定压力，因此在开 展正式试验前，需要利用加速度传感器标定释放气压大小与小球能量大小的关 系，便于后续开展变量研究提供指导，同时，本装置较为灵活，能够变换小球 的质量，变换小球运行速度，可以用来研究不同能量，不同应变速率下的水下 结构碰撞试验。

在撞击球10撞击柱壳结构试件3时，柱壳结构试件3内的应变片能够测得 柱壳结构试件3侧壁上的应力变化，并将应力数据通过水密接头输送到外部设 备上。

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 (9)

1.一种水下结构碰撞试验装置，包括半开放式压力筒(1)，其特征在于：所述半开放式压力筒(1)为圆柱形筒体结构，半开放式压力筒(1)内设有测量腔(4)，半开放式压力筒(1)上端面设有与测量腔(4)连通的圆形的开口端，所述半开放式压力筒(1)的开口端设有承压活塞(2)，承压活塞(2)和半开放式压力筒(1)的开口端之间为密封连接；

所述承压活塞(2)上设有上下贯通的试件安装孔，半开放式压力筒(1)的测量腔(4)内设置柱壳结构试件(3)，柱壳结构试件(3)和承压活塞(2)的试件安装孔之间为密封连接，柱壳结构试件(3)上部从承压活塞(2)的试件安装孔中伸出，半开放式压力筒(1)的测量腔(4)内壁和承压活塞(2)、柱壳结构试件(3)之间填满液体；

所述柱壳结构试件(3)为圆柱体结构，柱壳结构试件(3)内设有应力测量腔(7)，柱壳结构试件(3)的应力测量腔(7)侧壁上设有多个应变片，所述半开放式压力筒(1)外侧壁上设有水密接头(8)，水密接头(8)和应力测量腔(7)内的多个应变片电连接；

所述柱壳结构试件(3)的上端面设有万能试验机，万能试验机能够向柱壳结构试件(3)的上端面提供轴向压力，承压活塞(2)的上端面设有加压装置，加压装置能够向承压活塞(2)的上端面提供轴向压力，进而通过半开放式压力筒(1)内的液体对柱壳结构试件(3)产生围压；

所述半开放式压力筒(1)内侧壁上设有弹射平台(9)，弹射平台(9)上放置撞击球(10)，撞击球(10)的后部设有弹射装置，弹射装置能够推动弹射平台(9)上的撞击球(10)撞击柱壳结构试件(3)的外侧壁；所述半开放式压力筒(1)的内壁上设有速度传感器(17)和加速度传感器(18)，速度传感器(17)和加速度传感器(18)能够检测碰撞过程中撞击球(10)的速度和加速度变化。

2.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述承压活塞(2)的外圆周面和半开放式压力筒(1)的开口端内壁面之间设有外格莱圈(5)。

3.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述柱壳结构试件(3)和承压活塞(2)的试件安装孔之间设有内格莱圈(6)。

4.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述弹射装置包括固设在半开放式压力筒(1)外侧壁上的弹射围壳(11)，弹射围壳(11)内设有活塞腔，活塞腔内设有能够移动的弹射活塞(12)，弹射活塞(12)一端能够穿过半开放式压力筒(1)侧壁并接触弹射活塞(12)，弹射围壳(11)外侧设有高压气瓶(13)，高压气瓶(13)通过气管连接弹射围壳(11)的活塞腔，弹射活塞(12)和半开放式压力筒(1)侧壁之间设有活塞格莱圈(14)。

5.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述加压装置为液压机构或配重。

6.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述半开放式压力筒(1)侧壁上设有观察窗基座(15)，观察窗基座(15)内固设有透明材料制作的观察窗(16)，观察窗(16)位于弹射平台(9)的下方位置。

7.如权利要求6所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述观察窗(16)的横截面积从半开放式压力筒(1)内侧向外侧逐渐变小。

8.如权利要求1所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述半开放式压力筒1底端面上设有定位凸台(19)，柱壳结构试件(3)底部设有与定位凸台(19)形状吻合的定位凹槽(20)，柱壳结构试件(3)通过定位凹槽(20)定位连接在半开放式压力筒(1)的定位凸台(19)上。

9.如权利要求1～8中任意一项所述的一种水下结构碰撞试验装置，其特征在于：所述柱壳结构试件(3)偏心设置在开放式压力筒(1)内，并且柱壳结构试件(3)、弹射平台(9)和半开放式压力筒(1)中心位置处于同一直线上。

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