CN111811760A - 一种板架模型强度/刚度试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于板架模型设计及试验测试方法或设备技术领域，尤其涉及一种板架模型强度/刚度试验测试系统。试验测试系统包括试验控制组件、数据检测组件；试验控制组件包括呈盒状并在顶部开口的压力箱，以及设于压力箱上的连接回路以及控制回路；连接回路包括设于压力箱的一侧的连接口，压力箱的内腔通过连接口与多个支路连通，控制回路包括设于压力箱的一侧的取样管，取样管通过两个压力传感器分别连接至控制箱以及压力数字信号表；控制平台分别与第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、真空泵连接以控制其通断；本发明具有结构简单，控制效率高，且模拟效果接近实际工况，试验成本低，数据准确度高等优点。

Description

一种板架模型强度/刚度试验系统
技术领域
本发明属于板架模型设计及试验测试方法或设备技术领域，尤其涉及一种板架模型强度/刚度试验测试系统。
背景技术
随着复合材料设计水平和成型技术的不断提高，板架结构在舰船结构中应用愈加广泛，由于其使用环境复杂，性能要求高，经常承受正压、负压或者正负压交变载荷的连续作用，因此在板架结构设计过程中，需要提前对板架模型进行强度及刚度实验，以测试设计的结果能够满足需求。
一般情况下，板架模型强度/刚度试验测试是使用压力机向板架的模型表面反复施加压力来模拟实际工况，但与实际情形相比，压力机所施加力的作用点较为集中，与实际工况中海水均布压力作用在复合材料壳板结构的情形不一致，为此，实验室中常常在压力机与待测板架模型之间增加软质隔层等装置来模拟实现均压效果，但实际模拟结果仍不够理想，实验数据不准确，不利于实验室的模拟设计和改进等工作。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种结构简单，控制便捷，能够更好的模拟板架模型承受的海水均布载荷工况，在板架模型的设计测试过程中获取更准确的刚度强度试验结果。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
本发明的一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，包括试验控制组件、数据采集组件；
试验控制组件包括上方开口的压力箱1，以及与压力箱1上连接的回路和控制系统；
所述压力箱的开口1a边缘向外延展形成搭接板1b，搭接板1b上均匀设置有多个连接孔1c，搭接板1b与板架模型11通过螺钉与板架模型坚固连接，板架模型11和压力箱搭接板1b之间设置有密封橡胶垫2，所述密封橡胶垫2为中间设有与开口1a对应的通孔，密封橡胶垫2位于搭接板1b与板架板架模型11之间，板架模型11上方设置有盖板3，所述盖板3形状与搭接板1b相适应，盖板3上设有与连接孔1c对应的孔以可通过螺栓组将板架模型11固定在开口1a处；
所述连接回路包括设于压力箱1的一侧的连接口1c，压力箱1的内腔通过连接口1c与多个支路连通，所述支路包括通过第一电动阀4连接至空气压缩机5的第一支路、通过第二电动阀6连接至真空泵8的第二支路、通过第三电动阀7连接至大气的第三支路；
所述控制回路包括设于压力箱1的一侧的通气管1d，所述通气管1d通过两个压力传感器分别连接至控制箱以及压力数字信号显示器，控制箱与电脑通过数据线连接；所述电脑安装控制软件，通过调整软件参数达到调控控制箱的目的；
所述控制箱分别与第一电动阀4、第二电动阀6、第三电动阀7、真空泵8连接以控制其通断；
所述数据采集组件包括电脑，应变测试采集器，粘贴在板架模型11上的应变片以及用于测量板架模型11垂直方向位移变化的位移计。
对前述板架模型强度/刚度试验测试系统的进一步改进，所述试验控制组件还包括设于压力箱底部的下开口，下开口处盖有下端盖9，下端盖9上设导出管。
对前述板架模型强度/刚度试验测试系统的进一步改进，所述试验测试系统具有以下功能：
(1)用于完成正压试验的测试，具体包括：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到控制软件输入载荷参数P1；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，使压力箱在指定试验载荷下稳压保持控制软件里面输入时间T1，以完成载荷P1下的正压试验；
(2)用于完成负压试验的测试，具体包括：控制第二电动阀打开，2s后再控制真空泵打开，使得真空泵抽取压力箱内部气体，直至压力箱内部气压至控制软件输入载荷参数-P2后，压力传感器将信号传递给控制箱，将真空泵与第二电动阀关闭，稳压保持控制软件里面输入时间T2，以完成-P2载荷下的静压试验；
(3)用于完成正压/负压交变载荷试验的测试，具体包括：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到试验控制软件里面输入载荷P3；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，稳压控制软件里面输入T3后；控制箱控制第三电动阀开启，将压力箱内部气体释放至大气中，直至模型内部压力降低至1个标准大气压，关闭第三电动阀，开启第二电动阀，2s后，再打开真空泵，真空泵开始抽取模型内部气体；直至压力箱内部气压至控制软件里面输入载荷-P4；压力传感器将信号传递给控制箱，将真空泵与第二电动阀，稳压控制软件里面输入T4后；开启第三电动阀，使空气进入模型内部，当模型内部达到1个标准大气压时，关闭第三电动阀，之后控制第一电动阀开启，向压力箱内部充气，循环运转；当运转次数达到控制软件输入的试验循环次数后，试验自动停止。
对前述板架模型强度/刚度试验测试系统的进一步改进，还用于完成消除板架模型(11)与搭接板(1b)之间装配间隙的步骤，具体是指：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到指定试验载荷值；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，使压力箱在指定试验载荷下稳压保持30min时间，以消除装配间隙。
对前述板架模型强度/刚度试验测试系统的进一步改进，用于完成正压试验的测试过程中，当压强降低到0.8*P1时，系统将自动控制第一电动阀打开，使得空压机里面的气体继续进入压力箱内，直至达到P1载荷时，系统自动控制第三电动阀关闭，使压力箱内部压强P1在试验过程中始终处于稳定状态；当稳压时间达到T1后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
对前述板架模型强度/刚度试验测试系统的进一步改进，用于完成负压试验的测试过程中，当压力箱内压强降低到-0.8*P2时，系统将自动控制第二电动阀打开，2s后再控制真空泵打开，使得真空泵继续抽取压力箱内部气体，直至再次达到-P2载荷时，系统自动控制第二电动阀和真空泵关闭，使压力箱内部压强-P2在试验过程中始终处于稳定状态；稳压时间达到T2后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
其有益效果在于：
本发明的板架模型强度/刚度试验测试系统通过空气压缩机、真空泵等设备对板架模型进行强度、刚度考核测试，测试横向均布载荷作用下不同材料体系壳板单元的应力、应变与挠度分布特征，具有结构简单，控制效率高，且模拟效果接近实际工况，试验成本低，数据准确度高等优点。
附图说明
图1是板架模型强度/刚度试验系统中压力箱的结构示意图；
图2是板架模型强度/刚度试验系统的原理示意图；
图3是试验测试系统软件控制操作界面。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
通过实际工况下的检测，可以确定，在实际工况下，板架需要受到-0.05MPa～0.05MPa的交变疲劳载荷。基于设计以及试验需求，设计本发明的板架模型强度/刚度试验系统，板架模型强度/刚度试验系统的结构原理示见图1、图2所示。
本发明的板架模型强度/刚度试验系统包括试验控制组件、数据检测组件；
试验控制组件包括呈盒状并在顶部开口1a的压力箱1，以及设于压力箱1上的连接回路以及控制回路；
压力箱的开口1a边缘向外延展形成连接台1b，连接台1b上均匀设置有多个连接孔1c，开口1a上扣设有待测的板架模型11，板架模型11和压力箱1之间设置有密封橡胶垫2，密封橡胶垫2为中间设有与开口1a对应的通孔，密封橡胶垫2覆盖连接台1b与板架模型11的接触面，板架模型11上方设置有上边板3，上边板3形状与连接台1b相适应，上边板3上设有与连接孔1c对应的孔以可通过螺栓组将板架模型11固定在开口1a处；
连接回路包括设于压力箱1的一侧的连接口1c，压力箱1的内腔通过连接口1c与多个支路连通，支路包括通过第一电动阀4连接至空气压缩机5的第一支路、通过第二电动阀6连接至真空泵8的第二支路、通过第三电动阀7连接至大气的第三支路；
控制回路包括设于压力箱1的一侧的取样管1d，取样管通过两个压力传感器分别连接至控制箱CPU以及压力数字信号表；
控制平台分别与第一电动阀4、第二电动阀6、第三电动阀7、真空泵8连接以控制其通断；
数据检测组件包括应变测试采集器，粘贴在板架模型11上的应变片以及用于测量板架模型11垂直方向位移变化的位移计。位移计至少包括用于检测板架模型11中心以及边缘位置垂直方向位移变化的6个位移计。
本实施例中，压力箱上盖板厚度772*772*12mm，工装上边板厚度772*772*16mm，四周侧板600*500*6mm，，同时内外侧还增置了加强筋，其中内侧加强筋厚度8mm，外部加强筋厚度8mm，底座固定部分厚度8mm，底板厚度10mm，密封板厚度10mm。上端面紧固螺栓为M16，下端面紧固螺栓为M10。模型有效边界长度：600*600。
真空泵、空气压缩机通过高压气管与电磁阀相连通，分别向模型内部空间进行抽气与充气，以达到增加或降低密封腔内压强的效果。压力传感器将模型内部压强反馈给控制柜，控制柜由编程软件进行控制，进而在软件内输入交变试验参数，软件直接控制电磁阀与真空泵即可达到疲劳试验的效果，所述试验测试系统用于执行如下步骤：
(1)用与消除误差的步骤，启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到指定试验载荷值；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，使压力箱在指定试验载荷下稳压保持30min时间，以消除装配间隙。
(2)用于完成正压试验测试的步骤，具体是指：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到0.1MPa；压力传感器将信号传递给控制平台，将第一电动阀关闭，稳压保持30min时间，以完成0.1MPa正压试验；
在具体实施过程中，为了保证数据的准确度，提高实验效果，当压强降低到0.08MPa时，系统将自动控制第一电动阀打开，使得空压机里面的气体继续进入压力箱内，直至达到0.1MPa载荷时，系统自动控制第三电动阀关闭，使压力箱内部压强0.1MPa在试验过程中始终处于稳定状态；当稳压时间达到30min后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
(3)用于完成负压试验测试的步骤，控制平台控制第三电动阀开启，将压力箱内部气体释放至大气中，直至模型内部压力降低至1个标准大气压，关闭第三电动阀，开启第二电动阀，再打开真空泵，真空泵开始抽取模型内部气体；直至压力箱内部气压至-0.08MPa；压力传感器将信号传递给控制平台，将真空泵与第二电动阀，稳压保持30s时间，以完成-0.08MPa静压试验；
在具体实施过程中，为了保证数据的准确度，提高实验效果，当压力箱内压强降低到-0.064MPa时，系统将自动控制第二电动阀打开，2s后再控制真空泵打开，使得真空泵继续抽取压力箱内部气体，直至再次达到-0.08MPa载荷时，系统自动控制第二电动阀和真空泵关闭，使压力箱内部压强-0.08MPa在试验过程中始终处于稳定状态；稳压时间达到30s后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
(4)用于完成交变载荷试验模拟的步骤，具体是指：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到0.05MPa；压力传感器将信号传递给控制平台，将第一电动阀关闭，稳压30s；控制平台控制第三电动阀开启，将压力箱内部气体释放至大气中，直至模型内部压力降低至1个标准大气压，关闭第三电动阀，开启第二电动阀，再打开真空泵，真空泵开始抽取模型内部气体；直至压力箱内部气压至-0.05MPa；压力传感器将信号传递给控制平台，将真空泵与第二电动阀，稳压30s；开启第三电动阀，使空气进入模型内部，当模型内部达到1个标准大气压时，关闭第三电动阀，之后控制第一电动阀开启，向压力箱内部充气，循环运转。
前述实施例中，采用对称循环、恒幅加载试验方案，应力比R＝-0.1，周期T：约135s，加载频率：0.0074HZ，复合材料疲劳试验加载频率一般低于5HZ。疲劳试验前，先对模型进行0.1MPa、-0.08MPa静压试验，消除接触不良造成的误差，待变形稳定后开始进行疲劳试验。这是由于壳板结构在加工制作、安装过程中不可避免的出现结构残余应力，残余应力通常会引起材料内部不均匀塑性变形，对试样疲劳性能是有害的，因此，交变疲劳试验前，先对模型进行静压试验，并且还可以消除接触不良造成的误差，待变形稳定后开始进行疲劳试验。
在壳板中心处一面粘结应变片，用来测量中心部位应变随疲劳寿命变化规律，在中心另一面设置位移计，用来监测挠度随疲劳寿命变化规律。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，包括试验控制组件、数据采集组件；
试验控制组件包括上方开口的压力箱(1)，以及与压力箱(1)上连接的连接回路和控制回路；
所述压力箱的开口(1a)边缘向外延展形成搭接板(1b)，搭接板(1b)上均匀设置有多个连接孔(1c)，搭接板(1b)与板架模型(11)通过螺钉与板架模型坚固连接，板架模型(11)和压力箱搭接板(1b)之间设置有密封橡胶垫(2)，所述密封橡胶垫(2)为中间设有与开口(1a)对应的通孔，密封橡胶垫(2)位于搭接板(1b)与板架板架模型(11)之间，板架模型(11)上方设置有盖板(3)，所述盖板(3)形状与搭接板(1b)相适应，盖板(3)上设有与连接孔(1c)对应的孔以可通过螺栓组将板架模型(11)固定在开口(1a)处；
所述连接回路包括设于压力箱(1)的一侧的连接口(1c)，压力箱(1)的内腔通过连接口(1c)与多个支路连通，所述支路包括通过第一电动阀(4)连接至空气压缩机(5)的第一支路、通过第二电动阀(6)连接至真空泵(8)的第二支路、通过第三电动阀(7)连接至大气的第三支路；
所述控制回路包括设于压力箱(1)的一侧的通气管(1d)，所述通气管(1d)通过两个压力传感器分别连接至控制箱以及压力数字信号显示器，控制箱与笔记本电脑通过数据线连接；所述笔记本电脑安装控制软件，通过调整软件参数达到调控控制箱的目的；
所述控制箱分别与第一电动阀(4)、第二电动阀(6)、第三电动阀(7)、真空泵(8)连接以控制其通断；
所述数据采集组件包括电脑，应变测试采集器，粘贴在板架模型(11)上的应变片以及用于测量板架模型(11)垂直方向位移变化的位移计。
2.根据权利要求1所述一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，所述试验控制组件还包括设于压力箱底部的下开口，下开口处盖有下端盖(9)，下端盖(9)上设导出管。
3.根据权利要求1所述一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，所述试验测试系统用于执行如下步骤：
(1)用于完成正压试验的测试，具体包括：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到控制软件输入载荷参数P1；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，使压力箱在指定试验载荷下稳压保持控制软件里面输入时间T1，以完成载荷P1下的正压试验；
(2)用于完成负压试验的测试，具体包括：控制第二电动阀打开，2s后再控制真空泵打开，使得真空泵抽取压力箱内部气体，直至压力箱内部气压至控制软件输入载荷参数-P2后，压力传感器将信号传递给控制箱，将真空泵与第二电动阀关闭，稳压保持控制软件里面输入时间T2，以完成-P2载荷下的静压试验；
(3)用于完成正压/负压交变载荷试验的测试，具体包括：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到试验控制软件里面输入载荷P3；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，稳压控制软件里面输入T3后；控制箱控制第三电动阀开启，将压力箱内部气体释放至大气中，直至模型内部压力降低至1个标准大气压，关闭第三电动阀，开启第二电动阀，2s后，再打开真空泵，真空泵开始抽取模型内部气体；直至压力箱内部气压至控制软件里面输入载荷-P4；压力传感器将信号传递给控制箱，将真空泵与第二电动阀，稳压控制软件里面输入T4后；开启第三电动阀，使空气进入模型内部，当模型内部达到1个标准大气压时，关闭第三电动阀，之后控制第一电动阀开启，向压力箱内部充气，循环运转；当运转次数达到控制软件输入的试验循环次数后，试验自动停止。
4.根据权利要求2所述一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，还用于完成消除板架模型(11)与搭接板(1b)之间装配间隙的步骤，具体是指：启动空气压缩机，开启第一电动阀向压力箱内充气；直至压力箱内部压力达到指定试验载荷值；压力传感器将信号传递给控制箱，将第一电动阀关闭，使压力箱在指定试验载荷下稳压保持30min时间，以消除装配间隙。
5.根据权利要求2所述一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，用于完成正压试验的测试过程中，当压强降低到0.8*P1时，系统将自动控制第一电动阀打开，使得空压机里面的气体继续进入压力箱内，直至达到P1载荷时，系统自动控制第三电动阀关闭，使压力箱内部压强P1在试验过程中始终处于稳定状态；当稳压时间达到T1后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
6.根据权利要求2所述一种板架模型强度/刚度试验测试系统，其特征在于，用于完成负压试验的测试过程中，当压力箱内压强降低到-0.8*P2时，系统将自动控制第二电动阀打开，2s后再控制真空泵打开，使得真空泵继续抽取压力箱内部气体，直至再次达到-P2载荷时，系统自动控制第二电动阀和真空泵关闭，使压力箱内部压强-P2在试验过程中始终处于稳定状态；稳压时间达到T2后，试验测试在控制柜的控制下自动结束；试验人员控制试验检测组件，停止采集试验数据。
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