CN113049339B - 用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，属于结构工程技术领域；包括固定磁铁、伸缩杆、固定杆、连接杆、滑杆、外载荷和定滑轮；固定杆开有长孔；固定磁铁通过伸缩杆固定于固定杆的侧壁顶部，用于将整个装置吸附于试验机上；连接杆通过螺栓与固定杆的长孔固定；滑杆上的滑块与连接杆上的滑槽配合，使得滑杆沿轴向位移；外载荷通过系绳绕过定滑轮与固定板连接，将外载荷的重量通过定滑轮和系绳转化为对滑杆的轴向推力，随着滑杆沿滑槽长度方向的移动，所述压头对薄壳表面实现了定点加载，形成所需凹陷。本发明能够定量地产生位置、角度、深度可变的凹坑缺陷，用于定量评估初始缺陷参数对结构承载力的影响。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置。
背景技术
薄壳结构由于具有质量轻、结构紧凑、承载性能好等优点被广泛用于建筑、航空航天、船舶、汽车制造等领域。真实的薄壳结构由于制造误差、外力或者腐蚀等原因在其外表面不可避免地产生局部几何初始缺陷。而几何初始缺陷是影响结构强度和稳定性的关键性敏感参数，它使得实际结构的承载能力往往小于理想设计载荷，从而影响结构安全。专利CN107716622 A和专利CN 212419173 U均针对薄壁结构的局部凹陷设计了修复装置。因此，在进行薄壳结构设计时必须要考虑初始缺陷对结构承载力的影响。
近年来，对于薄壁壳体的轴压能力预测一直收到国内外众多研究机构的重视。先通过缺陷敏感性曲线获得结构承载能力的折减因子，后将理想的承载载荷进行折减是保证壳体满足设计需求一种有效的办法。观察发现薄壳在受到轴压时往往从一个局部凹陷变形开始，随后逐渐扩展整个结构最终破坏。因而，将局部凹陷作为初始缺陷进行缺陷敏感性研究对于保证薄壳的设计承载能力具有十分重要的实际意义。在专利CN107145639B中公开了一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，该方法是利用数值模拟在有限元壳体模型表面形成单点凹陷后分析得到折减因子。而此种预测方法仅为仿真分析，需要通过实验的验证才能保证此种方法的可靠性。通常在进行缺陷敏感实验时，往往需要在薄壳表面生成不同程度的凹陷后进行重复实验研究，这便使得实验流程十分的繁琐。因而，有必要设计一种可以快速方便在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的实验装置。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，为了定量地产生位置、角度、深度可变的凹坑缺陷，用于定量评估初始缺陷参数对结构承载力的影响。
本发明的技术方案是：一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：包括固定磁铁、伸缩杆、固定杆、连接杆、滑杆、外载荷和定滑轮；所述固定杆沿长度方向开有长孔；所述固定磁铁通过伸缩杆固定于固定杆的侧壁顶部、且伸缩杆轴向平行于固定杆的开孔面，用于将整个装置吸附于试验机上；
所述连接杆的中部开有圆通孔，通过螺栓依次穿过圆通孔和长孔，实现连接杆和固定杆的固定；连接杆下端面沿长度方向开有滑槽，并在下方中部固定有连接板；所述滑槽的长度方向平行于固定杆的开孔面；
所述滑杆一端固定有固定板，另一端固定有压头，其外周面上固定有滑块，所述滑块的截面与滑槽相同，能够在滑槽内滑动，并带动滑杆沿轴向位移；
所述定滑轮通过转轴安装于连接杆的连接板上，定滑轮的中心轴垂直于连接板；
所述外载荷通过系绳绕过定滑轮与固定板连接，将外载荷的重量通过定滑轮和系绳转化为对滑杆的轴向推力，随着滑杆沿滑槽长度方向的移动，所述压头对薄壳表面实现了定点加载，形成所需凹陷。
本发明的进一步技术方案是：所述固定杆为条形板结构，其板面下方沿长度方向开有长孔。
本发明的进一步技术方案是：所述伸缩杆能够沿长度方向伸缩，通过调节伸缩杆的长度和连接杆的安装角度，将压头与薄壳的外表面的接触。
本发明的进一步技术方案是：所述连接杆为长方体结构，通过调整连接杆在长孔上的安装位置、以及与固定板的相对角度，来调节凹陷位置。
本发明的进一步技术方案是：所述滑槽的截面为梯形。
本发明的进一步技术方案是：所述压头的底部为圆柱结构，顶部为圆锥结构，同轴安装于滑杆的端头处，由圆锥结构的顶点与薄壳的外表面接触。
本发明的进一步技术方案是：所述外加载由砝码组成。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明中固定磁铁1的使用使得整套装置拆装方便，不局限于一台万能试验机，应用场合灵活；且在拆装过程中不需要对试验机进行改装。
依据薄壳结构的外形尺寸调节伸缩杆9和连接杆6，从而保证压头3与薄壳壁面的完美接触，并且可以通过转动连接杆6实现压头3在垂直方向上的角度的变化。所以此装置可适用于不同外形，不同尺寸薄壳结构局部凹陷的产生。
在进行缺陷敏感性实验时需要进行大量的重复实验产生不同程度的凹陷，而本装置能够通过调节外载荷的砝码重量，得到所需尺寸的凹坑，并通过增加砝码或调整连接杆角度，便可改变凹坑尺寸大小和形状，操作简单，便于操作者的大量重复试验；对于研究初始缺陷对结构承载力造成的影响做出了贡献。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明三维结构图。
图3为固定杆8的三维结构图。
图4为连接杆6的三维结构图。
图5为滑杆的三维结构图。
图6为本发明的应用范例。
附图标记说明：1.固定磁铁，2.滑块，3.压头，4.外载荷，5.滑轮，6.连接杆，7.螺栓，8.固定杆，9.伸缩杆，10.试验机上压盘，11.薄壳，12.试验机下压盘，13.固定板。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，参见附图1，包括：固定磁铁1，滑块2，压头3，外载荷4，滑轮5，连接杆6，螺栓7，固定杆8，伸缩杆9，三维结构图参见附图2。
参见附图3，所述的固定连接杆8材料采用铝合金，其上开有长孔，顶端固定有长度可调节伸缩杆9，伸缩杆9端部连接固定磁铁1，固定磁铁1吸附于试验机设备上。
参见附图4，所述的滑动连接杆6材料采用铝合金，上开有圆形通孔和梯形槽，螺栓7通过圆孔将滑动连接杆6和固定杆8相连，梯形槽作为滑块2的导轨，滑动连接杆6侧面连有一块开孔薄板，这个孔用来固定滑轮5。
参见附图5，所述的压头3、固定板13、滑块2都焊接与滑杆上，固定板13上焊有圆环，用于连接系绳，外载荷4通过系绳和定滑将力传递到压头3上。
参见附图6，为本发明的应用范例，图中10为试验机上压盘，11为薄壳，12为下压盘，本发明装置通过固定磁铁1吸附于试验机，调节压头水平高度可在固定杆8的长槽内任意，水平距离可通过滑块的移动调整，与水平面角度也可以改变，调整满足需求后作用于薄壳11表面，压头3压力大小通过外载荷4内砝码重量改变。
本发明一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，具体工作原理如下：
步骤一：通过固定磁铁1将整套装置固定于试验机，根据薄壳结构的外形尺寸，调节伸缩杆9水平位置以及连接杆6的垂直位置，从而保证压头3可以完美接触到薄壳的外表面；
步骤二：在明确薄壳表面需要产生凹陷的位置和角度后，将螺栓7拧紧。在实验过程中依据所需要改变外载荷4的砝码重量，通过定滑轮5可将此外载荷施加到压头3上进而在薄壳表面产生特定的凹陷。
步骤三：在生成指定大小和位置的凹陷后，撤去外载荷4使压头3远离壁面，之后进行薄壳轴压实验。
本发明提供的一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷装置的用途：适合于不同形状的薄壳产生凹坑缺陷，且压头可全方位调节，通过磁铁可吸附于不同场合万能试验机，拆装方便，运动灵活，适用范围广，可重复使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：包括固定磁铁、伸缩杆、固定杆、连接杆、滑杆、外载荷和定滑轮；所述固定杆沿长度方向开有长孔；所述固定磁铁通过伸缩杆固定于固定杆的侧壁顶部、且伸缩杆轴向平行于固定杆的开孔面，用于将整个装置吸附于试验机上；
所述连接杆的中部开有圆通孔，通过螺栓依次穿过圆通孔和长孔，实现连接杆和固定杆的固定；连接杆下端面沿长度方向开有滑槽，并在下方中部固定有连接板；所述滑槽的长度方向平行于固定杆的开孔面；
所述滑杆一端固定有固定板，另一端固定有压头，其外周面上固定有滑块，所述滑块的截面与滑槽相同，能够在滑槽内滑动，并带动滑杆沿轴向位移；
所述定滑轮通过转轴安装于连接杆的连接板上，定滑轮的中心轴垂直于连接板；
所述外载荷通过系绳绕过定滑轮与固定板连接，将外载荷的重量通过定滑轮和系绳转化为对滑杆的轴向推力，随着滑杆沿滑槽长度方向的移动，所述压头对薄壳表面实现了定点加载，形成所需凹陷。
2.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述固定杆为条形板结构，其板面下方沿长度方向开有长孔。
3.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述伸缩杆能够沿长度方向伸缩，通过调节伸缩杆的长度和连接杆的安装角度，将压头与薄壳的外表面的接触。
4.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述连接杆为长方体结构，通过调整连接杆在长孔上的安装位置、以及与固定板的相对角度，来调节凹陷位置。
5.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述滑槽的截面为梯形。
6.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述压头的底部为圆柱结构，顶部为圆锥结构，同轴安装于滑杆的端头处，由圆锥结构的顶点与薄壳的外表面接触。
7.根据权利要求1所述用于在薄壳结构外表面产生特定局部几何初始缺陷的装置，其特征在于：所述加载由砝码组成。
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