CN111521466A - 一种开口结构角隅疲劳试样及其专用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开口结构角隅疲劳试样，包括平板，在平板的中部设置有带有边角的中央开口，中央开口的边角即为角隅区域，在中央开口的相对两侧各开挖一个销钉孔。本发明同时提供所述的试样相匹配的专用夹具。本发明可以用来补充对疲劳数值模拟和理论研究结果的试验对比和验证过程，保证最终研究成果的可靠性和正确性。

Description

一种开口结构角隅疲劳试样及其专用夹具

技术领域

本发明涉及一种开口结构角隅疲劳试样形式及其专用夹具，可用于研究例如船舶舷侧开孔、飞行器舷窗开孔等开口结构角隅区域的疲劳性能。

背景技术

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要原因之一，一直以来，船舶结构的疲劳和断裂问题都是造船界所关注的热点课题。在1852-1870年间，德国铁路工程师奥格斯特·维勒August

首次进行了系统性的疲劳研究，但是，对于船舶结构的疲劳破坏问题直到70年代末才开始被人们重视起来。大多数运输船舶在布置上为了争取更多的空间，同时便于货物的装卸，需要在甲板上设置大型的货仓开口。大开口使得甲板变成了间断构件，破坏了其结构连续性，导致甲板剖面上的应力重新分配。由于开口使断面的强度削弱及几何形状的突变，在角隅区域产生会很大的应力集中，更容易产生疲劳裂缝，而应力集中的裂纹，可蔓延到甲板及其舷侧，严重的可以导致整艘船舶折断，对船体结构造成危害；对于豪华邮轮等载客船舶，为了布置观景阳台会在舷侧板架设计大量开口结构。事实证明，大多数船舶海损事故就是因为船上开口角隅处的应力集中引起的。

目前，针对开口结构角隅区域疲劳性能的研究主要集中在理论推导和有限元模拟上，如申请号为201920532249.5的实用新型专利，通过有限元软件进行数值模拟计算，公开了一种新型抗疲劳舱口角隅的优化设计形式，但没有通过试验进行对比验证，无法知晓其在实际工程中的应用情况。已有的一些针对开口结构的物理试验的主要关注点在结构开口后对整体强度的影响以及角隅形状对应力集中系数的影响上，未见有关通过缩比尺疲劳试验对开口角隅区域的疲劳问题展开研究的文献报道。

发明内容

本发明提供了一种开口结构角隅疲劳试样及其专用夹具，针对拟研究的特定对象，按照本发明设计其开口角隅疲劳试样形式并拟定疲劳试验方案，可以用来补充对疲劳数值模拟和理论研究结果的试验对比和验证过程，保证最终研究成果的可靠性和正确性。本发明采用如下技术方案：

一种开口结构角隅疲劳试样，包括平板，其特征在于，在平板的中部设置有带有边角的中央开口，中央开口的边角即为角隅区域，在中央开口的相对两侧各开挖一个销钉孔。

进一步地，所述的开口试样的角隅区域以设计成直角、圆角、椭圆或抛物线过渡形式。

本发明同时提供所述的试样相匹配的专用夹具，包括两套结构相同的组件，每套组件各通过一个所述的销钉孔与相应侧的试样固定连接；一套组件包括T型定位台、两个夹块、销钉、双头螺柱和螺母，每个夹块分别设置两个销钉孔，一个销钉孔被称为固定销钉孔，另一个销钉孔被称为定位销钉孔，固定销钉孔与试样的一侧开设的销钉孔相配合，所述试样的一侧置于两个夹块之间，所述的销钉与两个夹块的固定销钉孔及试样上的销钉孔相配合并将试样固定于两个夹块之间；T型定位台包括定位板和端板，定位板的厚度与所述的试样相同，定位板置于两个夹块之间，在定位板上设置有与两个夹块的定位销钉孔相配合的销钉孔，所述的双头螺柱贯穿两个夹块的定位销钉孔及定位板上的销钉孔，并通过螺母将两个夹块与T型定位台固定连接。

进一步地：在T型定位台的端板预留有螺栓孔，所述的螺栓孔用于将专用夹具与疲劳试验机的夹具座相连。

本发明的有益效果是：针对船舶和航空器等在运行过程中存在的疲劳失效问题，在经过对角隅疲劳的前期理论推导和有限元模拟计算并得到一些初步结论后，针对拟研究的特定对象设计其开口角隅疲劳试样形式并拟定疲劳试验方案，采用本发明的试样和夹具进行试验，可以补充对角隅疲劳数值计算、理论研究结论的物理试验对比验证过程，保证最终研究成果的可靠性和正确性。

附图说明

图1是本发明开口结构角隅疲劳试样3的外观示意图，其中图1(a)是开口试样的三维视图，图1(b)是开口试样的主视图,图1(c)是开口试样的侧视图；

图2是本发明开口结构角隅疲劳试样与其专用夹具的组装方式的正视及剖视组合视图；

图3是试样专用夹具的零部件示意图，其中图3(a)是下夹块4立体图，图3(b)是下T型定位台8立体图，图3(c)是双头螺柱6与六角螺母7紧扣示意图，图3(d)是销钉5立体图，图3(e)是双头螺柱6立体图，图3(f)是六角螺母7立体图。

其中，1—上T型定位台；2—上夹块；3—开口结构角隅疲劳试样；4—下夹块；5—销钉；6—双头螺柱；7—六角螺母；8—下T型定位台；9—开口试样底部销钉孔；10—角隅区域；11—试样中央开口；12—下夹块顶部销钉孔；13—下T型定位台顶部销钉孔；14—下T型定位台底部螺栓孔；15—下夹块底部销钉孔；16—定位板。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

如图1和图2所示，提出一种开口结构角隅疲劳试样形式及其专用夹具，包括一种用于测试开孔结构角隅区域疲劳特性的试样形式和一套与开口试样相匹配的专用夹具。

开口结构角隅疲劳试样3，是在选定试验所需材料的平板试样中央开挖与平板等厚度的孔洞形成试样中央开口11，其开口形状根据拟研究区域的特征确定，一般为矩形或正方形，挖孔后形成的四个边角处即为角隅区域10；

开口试样形式和专用夹具零部件的尺寸等可以根据试验需要进行更改，包括在开口试样上焊接肋板、肘板等附加构件；

开口试样可以根据研究任务要求，选用不同材料的平板试样对其开口后形成的角隅区域疲劳性能展开研究，对比材料对角隅疲劳的影响；

开口试样可以根据研究任务要求，选用不同厚度的平板试样对其开口后形成的角隅区域疲劳性能展开研究，对比厚度对角隅疲劳的影响；

开口试样的角隅区域10可以设计成直角、圆角、椭圆或抛物线等不同的过渡形式，用于研究不同角隅的形状和尺寸用圆角半径、椭圆度、曲率等数据表征对开口试样疲劳特性的影响。

开口试样可以根据研究任务要求，将试样置于室内、高温、高压、腐蚀及化学试剂等特定环境中，可以研究单一或多种环境因素耦合条件作用下，对开口试样角隅区域疲劳性能的影响。

开口试样的顶部和底部各开挖一个厚度与平板相同的销钉孔，使得销钉5可以贯穿开口试样底部销钉孔9及专用夹具中的左右两个下夹块顶部销钉孔12后，定位和固定开口结构角隅疲劳试样3与左右两个下夹块4的相对位置。

本发明的与开口试样相匹配的专用夹具其主要部件包括：上T型定位台1、上夹块2、下夹块4、销钉5、双头螺柱6、六角螺母7和下T型定位台8等；专用夹具是上下和左右的零部件均对称的结构，其上部构件组装方式与下部相同。

专用夹具中的下T型定位台顶部应预留销钉孔13，下夹块4的顶部和底部分别各留一个销钉孔12、15，用于销钉5或双头螺柱6穿过后将夹具组装起来；

以专用夹具下部构件为例，下T型定位台8是位于专用夹具最下层的构件，其预留底部螺栓孔14，使用粗螺栓旋转紧固后可以将下T型定位台8与疲劳试验机的下夹具座相连接，用来定位和固定组合夹具；下T型定位台顶部销钉孔13和左右两个下夹块底部销钉孔15可以通过双头螺柱6贯穿，同时在左右两个下夹块4外侧各用一个六角螺母7旋紧，使下T型定位台8和左右两个下夹块4的位置相对固定；开口试样底部销钉孔9和左右两个下夹块顶部销钉孔12可以用销钉5贯穿；

专用夹具的上部构件的组装方式与下部相同，重复上述操作即可完成专用夹具上部的组装后专用夹具就完成了全部组装，至此，上T型定位台1、上夹块2、开口结构角隅疲劳试样3、下夹块4、下T型定位台8之间以及专用夹具和疲劳试验机之间的相对位置均完成了定位和固定；

专用夹具的零部件应采用抗疲劳性和抗腐蚀性较好的钢材制作，通过在其表面喷涂防水阻锈剂等增加其耐久度；

专用夹具各部件的销钉孔应略大于销钉5或双头螺柱6的直径，防止各部件之间发生摩擦侵蚀而影响疲劳试验结果；

零件销钉孔的直径也不宜过大，防止销钉与零件间由于定位和固定不达标而发生相对滑动导致偏心荷载的产生，而影响疲劳试验结果。

专用夹具的各零部件应该定期检查和更换，防止销钉5和双头螺柱6等零件在疲劳试验过程中，因自身疲劳破坏后断裂而导致试验异常中止，提高试验装置的安全性和可靠度。

开口结构角隅疲劳试样3的基底平板根据疲劳试验机的量程、尺寸限制和研究任务需要，设计成正方形、矩形、圆形等任意形状；

开口试样底部销钉孔9和下夹块顶部预留销钉孔12的半径应相同，供销钉5贯穿；下夹块底部销钉孔15和下T型定位台顶部销钉孔13的半径应相同，供六角螺柱6贯穿；六角螺母7应选择与双头螺柱6相配套的尺寸，使得两侧螺纹和螺母可以紧固连接。

图3(d)所示的销钉5、图3(e)所示的双头螺柱6以及图3(f)所示的六角螺母7等常见构件应该按照国家机械制造的相关标准生产，严格控制构件质量，防止制造工艺对试验产生影响。

本发明的使用和组装流程如下：

首先应根据研究任务需要，设计开口结构角隅疲劳试样3的形式，通过前期有限元计算确定开口试样的最终尺寸并进行生产制造，之后确定疲劳试验的组次和加载方案。在试验阶段，先将下T型定位台8放置于水平工作台上，使用双头螺柱6穿过下T型定位台顶部销钉孔13，在下T型定位台8顶部左右两侧各放置一个下夹块4，使下夹块底部销钉孔15被双头螺柱6穿过后固定在下T型定位台8顶部的两侧。待双头螺柱6贯穿左右两个下夹块底部销钉孔15和下T型定位台顶部销钉孔13后，在双头螺柱6的两端螺纹处即左右两个下夹块底部销钉孔15外侧各用一个六角螺母7旋紧，使下T型定位台8和两个下夹块4的位置相对固定。然后将开口试样底部销钉孔9与前述组装好部分的两个下夹块顶部销钉孔12用销钉5贯穿，使得开口结构角隅疲劳试样3、左右两个下夹块4和下T型定位台8之间都相互连接。

由于专用夹具是对称结构，其上部零件的组装方式相同，再次完成上述操作后就完成了开口试样和专用夹具之间的组装，至此上T型定位台1、上夹块2、开口结构角隅疲劳试样3、下夹块4、下T型定位台8之间的相对位置均已确定并连接牢固。将组装好的组合夹具移动至疲劳试验机的工作区域，准备与疲劳机连接。

T型定位台是位于组合夹具中最上层和最下层的构件，用来定位和固定组合夹具，预留下T型定位台底部螺栓孔14。使用粗螺栓将上T型定位台1与疲劳试验机工作区的上夹具座相连接并旋转紧固，使组合夹具的上端与疲劳机固定。然后将组合夹具竖直放置，使组合夹具的纵向中心线与疲劳机的加载连杆在一条直线上，完成对中过程并保证轴向加载，防止产生偏心荷载。最后使用粗螺栓穿过下T型定位台底部螺栓孔14后与疲劳机的下夹具座旋转紧固。至此开口试样与专用夹具、组合夹具与疲劳试验机的相对位置均完成了定位和固定，连接相关试验测量设备后，在电脑端输入疲劳加载参数即可开始试验。

本发明专利所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合和演绎所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种开口结构角隅疲劳试样，包括平板，其特征在于，在平板的中部设置有带有边角的中央开口，中央开口的边角即为角隅区域，在中央开口的相对两侧各开挖一个销钉孔。

2.根据权利要求1所述的试样，其特征在于，所述的开口试样的角隅区域设计成直角、圆角、椭圆或抛物线过渡形式。

3.一种与权利要求1所述的试样相匹配的专用夹具，包括两套结构相同的组件，每套组件各通过一个所述的销钉孔与相应侧的试样固定连接；其特征在于，一套组件包括T型定位台、两个夹块、销钉、双头螺柱和螺母，每个夹块分别设置两个销钉孔，一个销钉孔被称为固定销钉孔，另一个销钉孔被称为定位销钉孔，固定销钉孔与试样的一侧开设的销钉孔相配合，所述试样的一侧置于两个夹块之间，所述的销钉与两个夹块的固定销钉孔及试样上的销钉孔相配合并将试样固定于两个夹块之间；T型定位台包括定位板和端板，定位板的厚度与所述的试样相同，定位板置于两个夹块之间，在定位板上设置有与两个夹块的定位销钉孔相配合的销钉孔，所述的双头螺柱贯穿两个夹块的定位销钉孔及定位板上的销钉孔，并通过螺母将两个夹块与T型定位台固定连接。

4.根据权利要求3所述的专用夹具，其特征在于：在T型定位台的端板预留有螺栓孔，所述的螺栓孔用于将专用夹具与疲劳试验机的夹具座相连。

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