CN113933173A - 极地低温环境结构试验装置及试验方法 - Google Patents

极地低温环境结构试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及极地低温环境结构试验装置及试验方法，包括结构试验平台提供反力基础，结构试验平台中部安装有低温环境试验箱，位于低温环境试验箱一侧的结构试验平台上安装有载荷模拟装置，位于低温环境试验箱另一侧的结构试验平台上安装有约束装置；载荷模拟装置和约束装置相向的端部分别伸至低温环境试验箱中，低温环境试验箱中容置有试验模型，伸至低温环境试验箱的载荷模拟装置和约束装置分别与试验模型两端铰接连接；通过集成化、模块化的方式构建了低温环境结构性能试验装置，极大地助力于实现极地低温环境下海洋装备的结构性能试验，并且低温环境试验箱可以根据试验需求进行模块化装卸，大大提升了结构试验平台的利用率，适用范围广。

Description

极地低温环境结构试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及性能测试试验装置技术领域，尤其是一种极地低温环境结构试验装置及试验方法。
背景技术
极地海洋装备(船舶、海洋平台、极地起重设备等)是极地航线运输和极地资源勘探开发的主要工具。有研究显示，低温环境(比如-60℃时)将降低钢材的韧性，从而影响极地海洋装备结构的极限承载能力和失效模式。
现有技术中，已经有大量海洋装备结构强度的研究工作，但是相关成果主要适用于常温环境，未考虑低温环境对装备结构性能的影响，如果将已有的研究成果直接应用于极地低温环境下海洋装备结构的安全评估中，可能会出现不可预估的危险。另一方面，现有的低温环境下的力学性能测试装置，多适用于测试海洋装备建造材料自身的低温力学性能，无法针对极地海洋装备的关键承载构件开展实尺度的结构强度综合试验，不能满足极地海洋装备复杂空间焊接结构的结构性能测试需求。
为保证极地海洋装备的结构设计合理性和焊接质量可靠性，亟需建立一种极地海洋装备实尺度构件结构强度综合试验装置及其试验方法。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的基于结构试验平台的极地低温环境结构试验装置及试验方法，主要用于开展极地低温环境下海洋装备结构性能的科学试验研究，是研究结构极限承载能力、疲劳性能等重要手段，为极地海洋装备安全服役性能评估提供试验保障。
本发明所采用的技术方案如下：
一种极地低温环境结构试验装置，包括结构试验平台，所述结构试验平台提供反力基础，在结构试验平台中部安装有低温环境试验箱，位于低温环境试验箱一侧的结构试验平台上安装有载荷模拟装置，位于低温环境试验箱另一侧的结构试验平台上安装有约束装置；所述载荷模拟装置和约束装置相向的端部分别伸至低温环境试验箱中，低温环境试验箱中容置有试验模型，伸至低温环境试验箱的载荷模拟装置和约束装置分别与试验模型两端铰接连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述载荷模拟装置包括有输出端水平设置的液压作动器，液压作动器尾端相对于结构试验平台固定安装，液压作动器输出端依次安装有载荷传感器和连接组件，连接组件伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳一，拉耳一通过轴向水平设置的销轴一与试验模型铰接。
所述液压作动器尾端安装有油缸连接座，油缸连接座固定安装于三角形反力架一侧面，三角形反力架一通过地脚螺栓组一固定安装于结构试验平台上。
所述连接组件的结构为：包括与载荷传感器固定安装的连接法兰一，连接法兰一侧面固定配装有连接法兰二，连接法兰二中心处通过螺纹连接安装有水平设置的短拉杆，短拉杆端部伸至低温环境试验箱中并通过螺纹连接安装拉耳一；位于低温环境试验箱外部的短拉杆上套装有散热片一，短拉杆与低温环境试验箱壁面之间通过铝箔软管进行动态密封。
所述铝箔软管套装于短拉杆上，铝箔软管一端粘贴于短拉杆周向壁面上，铝箔软管另一端嵌套安装有固定卡扣，固定卡扣固定锁装于低温环境试验箱的外壁面上。
所述连接法兰一与连接法兰二之间压装有隔热垫。
所述低温环境试验箱的结构为：包括承载于结构试验平台上的、开口朝上的低温箱箱体，低温箱箱体侧面设置有制冷机组，低温箱箱体与制冷机组共同封装为一个整体；所述低温箱箱体开口处配装有低温箱盖，低温箱箱体壁面上设置有低温箱观察窗和内外贯通的测试引线孔，测试引线孔中塞装有硅胶发泡塞；所述低温箱箱体顶部沿着周向均匀设置有锁扣，通过锁扣与低温箱盖配装。
所述约束装置的结构为：包括通过地脚螺栓组二固定安装于结构试验平台上的三角形反力架二，三角形反力架二贴合配装有反力框，反力框上锁装有水平布置的长拉杆，长拉杆端部伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳二，拉耳二通过轴向水平设置的销轴二与试验模型铰接连接；所述低温环境试验箱贯穿长拉杆处塞装有硅胶发泡密封套，位于反力框与低温环境试验箱之间的长拉杆上套装有散热片二。
所述反力框的结构为：包括间隔设置的前横梁和后横梁，前横梁和后横梁之间于四个角处通过锁紧螺母共同安装有拉杆；所述三角形反力架二位于前横梁与后横梁之间并与后横梁贴合；所述前横梁底面和后横梁底面分别垫装有垫凳一和垫凳二。
一种所述的极地低温环境结构试验装置的试验方法，包括如下步骤：
在试验模型和同等材料的温度补偿板上分别安装低温电阻应变计；
将载荷模拟装置、低温环境试验箱和约束装置分别安装于结构试验平台上；
将试验模型放置于低温环境试验箱中，并将试验模型两端分别与载荷模拟装置、约束装置铰接连接，在试验模型上安装温度传感器、位移传感器；
将温度补偿板放置于低温环境试验箱中靠近试验模型的位置；
将低温电阻应变计、温度传感器、位移传感器相对应的测试导线穿出低温环境试验箱并连接至数据采集仪上；
载荷模拟装置工作，在常温下以小于试验载荷最大值30％的载荷进行预加载试验，并卸载；
载荷模拟装置工作，以预设的试验载荷向试验模型施加约束，同时开启制冷压缩机将低温环境试验箱内进行降温，并通过数据采集仪监测采集的数据；
待低温环境试验箱中的温度达到预设低温，且采集的数据半小时内的波动在±5με内后，通过载荷模拟装置进行载荷加载，进行试验模型在低温环境下的结构强度综合试验，并通过数据采集仪进行结构强度综合试验过程中的数据采集。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过集成化、模块化的方式构建了低温环境试验装置，极大地助力于实现极地低温环境下海洋装备的结构性能试验。本发明解决了现有装置无法考核极地海洋装备复杂空间结构性能的实际问题，整个发明装置集成化、模块化程度高，安装操作方便，低温环境试验箱可根据需要方便快捷的安装和移除，可大大提高试验设备的利用率；此外基于结构试验平台以及必要的试验工装，还可实现实尺度构件的压缩、三点弯曲及四点弯曲等结构性能试验,还通过更换载荷加载作动器，可满足不同试验载荷的加载需求。
本发明还包括如下优点：
载荷模拟装置中连接法兰一与连接法兰二中间装有隔热垫，从而起到减少热传递，防止低温环境试验箱中的低温传递至载荷传感器、液压作动器，起到保护的作用；
短拉杆和长拉杆上均套装有散热片，在减少热传递的同时，也用于减弱试验装置在长时间试验运行后的结霜现象；
低温箱箱体与短拉杆之间安装有铝箔软管，起到动态密封的作用，提升了低温环境试验箱与外部环境温度之间的压差气密性，并且有效防止了连接部分结霜现象的发生；
本发明主要用于开展极地低温环境下海洋装备结构性能的科学试验研究，可以考核验证极地海洋装备关键承载构件的结构设计合理性和焊接质量可靠性，是研究其极限承载能力、节点疲劳寿命等关键结构力学性能的重要手段，是极地海洋装备安全服役的基础保障，对在极端恶劣工况下服役的极地海洋装备的结构安全可靠性具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为图1和图2中I处所示连接组件的结构示意图。
图4为图1和图2中II处所示低温环境试验箱的结构示意图。
图5为图1和图2中III处所示反力框与低温环境试验箱的连接示意图。
其中：1、结构试验平台；2、地脚螺栓组一；3、三角形反力架一；4、油缸连接座；5、液压作动器；6、锁紧螺母；7、垫凳一；8、前横梁；9、拉杆；10、地脚螺栓组二；11、三角形反力架二；12、后横梁；13、垫凳二；14、载荷传感器；15、连接法兰一；16、隔热垫；17、连接法兰二；18、短拉杆；19、散热片一；20、铝箔软管；21、固定卡扣；22、拉耳一；23、销轴一；24、销轴二；25、拉耳二；26、硅胶发泡密封套；27、长拉杆；28、散热片二；29、长拉杆螺母；30、低温箱箱体；31、制冷机组；32、低温箱盖；33、锁扣；34、硅胶发泡塞；35、低温箱观察窗；36、试验模型。
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和图2所示，本实施例的极地低温环境结构试验装置，包括结构试验平台1，结构试验平台1提供反力基础，在结构试验平台1中部安装有低温环境试验箱，位于低温环境试验箱一侧的结构试验平台1上安装有载荷模拟装置，位于低温环境试验箱另一侧的结构试验平台1上安装有约束装置；载荷模拟装置和约束装置相向的端部分别伸至低温环境试验箱中，低温环境试验箱中容置有试验模型36，伸至低温环境试验箱的载荷模拟装置和约束装置分别与试验模型36两端铰接连接。
载荷模拟装置包括有输出端水平设置的液压作动器5，液压作动器5尾端相对于结构试验平台1固定安装，液压作动器5输出端依次安装有载荷传感器14和连接组件，连接组件伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳一22，拉耳一22通过轴向水平设置的销轴一23与试验模型36铰接。
液压作动器5尾端安装有油缸连接座4，油缸连接座4固定安装于三角形反力架一3侧面，三角形反力架一3通过地脚螺栓组一2固定安装于结构试验平台1上。
如图3所示，连接组件的结构为：包括与载荷传感器14固定安装的连接法兰一15，连接法兰一15侧面固定配装有连接法兰二17，连接法兰二17中心处通过螺纹连接安装有水平设置的短拉杆18，短拉杆18端部伸至低温环境试验箱中并通过螺纹连接安装拉耳一22；位于低温环境试验箱外部的短拉杆18上套装有散热片一19，短拉杆18与低温环境试验箱壁面之间通过铝箔软管20进行动态密封。
铝箔软管20套装于短拉杆18上，铝箔软管20一端粘贴于短拉杆18周向壁面上，铝箔软管20另一端嵌套安装有固定卡扣21，固定卡扣21固定锁装于低温环境试验箱的外壁面上。
低温箱箱体30与短拉杆18之间安装有铝箔软管20，起到动态密封的作用，提升了低温环境试验箱与外部环境温度之间的压差气密性，并且有效防止了连接部分结霜现象的发生。
连接法兰一15与连接法兰二17之间压装有隔热垫16，通过隔热垫16的设置来减少热传递，防止低温环境试验箱中的低温传递至载荷传感器14、液压作动器5，起到保护装置的作用。
如图4所示，低温环境试验箱的结构为：包括承载于结构试验平台1上的、开口朝上的低温箱箱体30，低温箱箱体30侧面设置有制冷机组31，低温箱箱体30与制冷机组31共同封装为一个整体；低温箱箱体30开口处配装有低温箱盖32，低温箱箱体30壁面上设置有低温箱观察窗35和内外贯通的测试引线孔，测试引线孔中塞装有硅胶发泡塞34；低温箱箱体30顶部沿着周向均匀设置有锁扣33，通过锁扣33与低温箱盖32配装。
约束装置的结构为：包括通过地脚螺栓组二10固定安装于结构试验平台1上的三角形反力架二11，三角形反力架二11贴合配装有反力框，反力框上锁装有水平布置的长拉杆27，长拉杆27端部伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳二25，拉耳二25通过轴向水平设置的销轴二24与试验模型36铰接连接；低温环境试验箱贯穿长拉杆27处塞装有硅胶发泡密封套26，通过硅胶发泡密封套26来填补长拉杆27与低温箱箱体30间的空隙；位于反力框与低温环境试验箱之间的长拉杆27上套装有散热片二28，如图5所示。
反力框的结构为：包括间隔设置的前横梁8和后横梁12，前横梁8和后横梁12之间于四个角处通过锁紧螺母6共同安装有拉杆9；三角形反力架二11位于前横梁8与后横梁12之间并与后横梁12贴合；前横梁8底面和后横梁12底面分别垫装有垫凳一7和垫凳二13。
本实施例中，长拉杆27贯穿前横梁8，长拉杆27通过长拉杆螺母29相对于前横梁8锁装固定。
本实施例中，短拉杆18和长拉杆27上均套装有散热片，在减少热传递的同时，也用于减弱试验装置在长时间试验运行后的结霜现象。
本实施例中，通过改造试验工装，即将试验模型36两端的拉耳一22、拉耳二25替换成不同的试验工装，可以实现试验模型36的压缩、三点弯曲以及四点弯曲等试验加载方案，从而适应于不同试验对象的试验需求；
另一方面，也可以通过更换不同载荷加载的液压作动器5，来满足不同试验的载荷加载需求。
本实施例的极地低温环境结构试验装置的试验方法，包括如下步骤：
第一步：在试验模型36和同等材料的温度补偿板上分别安装低温电阻应变计；
第二步：将载荷模拟装置、低温环境试验箱和约束装置分别安装于结构试验平台1上；
第三步：将试验模型36放置于低温环境试验箱中，并将试验模型36两端分别与载荷模拟装置、约束装置铰接连接，即将试验模型36两端分别通过销轴一23与拉耳一22转动连接、通过销轴二24与拉耳二25转动连接，在试验模型36上安装温度传感器、位移传感器；
第四步：将温度补偿板放置于低温环境试验箱中靠近试验模型36的位置；
第五步：将低温电阻应变计、温度传感器、位移传感器相对应的测试导线穿出低温环境试验箱并连接至数据采集仪上，测试导线穿出低温环境试验箱的引线孔处用硅胶发泡塞34密封；
第六步：载荷模拟装置工作，在常温下以小于试验载荷最大值30％的载荷进行预加载试验，并卸载；
通过预加载试验，来检验整套试验装置、载荷加载系统及试验数据测试系统是否正常运行，同时释放试验模型36中的焊接残余应力；
预加载试验时低温箱箱体30上可以不安装低温箱盖32，在下一步正式试验时则通过锁扣33将低温箱盖32安装好；
第七步：载荷模拟装置工作，以预设的试验载荷向试验模型36施加约束，同时开启制冷压缩机将低温环境试验箱内进行降温，并通过数据采集仪监测采集的数据；
通过载荷模拟装置向试验模型36施加约束通常采用三种方式：
一、自由状态，调节液压作动器5活塞杆的位置，使得试验模型36处于无约束的可自由伸缩状态；
二、两端固定约束，调节液压作动器5活塞杆的位置，使得试验模型36与加载系统处于紧密配合无间隙，试验模型36处于无载荷状态，保持试验载荷加载控制系统为位移控制模式，也即使得试验模型36处于两端固定约束状态；
三、恒载荷约束，调节液压作动器5活塞杆的位置，给试验模型36施加一定的轴向拉伸载荷F，保持试验载荷加载控制系统为载荷控制模式，使得试验模型36在降温过程中处于恒载荷约束状态；
第八步：待低温环境试验箱中的温度达到预设低温，且采集的数据半小时内的波动在±5με内，即各应变测点的数据趋于稳定后，通过载荷模拟装置进行载荷加载，进行试验模型36在低温环境下的结构强度综合试验，并通过数据采集仪进行结构强度综合试验过程中的数据采集。
本实施例中，低温环境试验箱与载荷模拟装置之间的连接组件内设置有隔热垫16、散热片一19；低温环境试验箱与约束装置之间设置散热片二28，从而减少甚至避免了试验时低温环境试验箱的低温对载荷模拟装置、约束装置的影响，有效保证了试验的顺利、有效进行。
本实施例中，通过集成化、模块化的方式构建了低温环境试验装置，极大地助力于实现极地低温环境下海洋装备的结构性能试验，有效解决了现有装置无法考核极地海洋装备复杂空间结构性能的实际问题；并且安装在结构试验平台上的低温环境试验箱可以根据试验需求方便快捷地进行安装或是移除，模块化装卸，大大提升了结构试验平台的利用率，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 (10)

1.一种极地低温环境结构试验装置，包括结构试验平台(1)，其特征在于：所述结构试验平台(1)提供反力基础，在结构试验平台(1)中部安装有低温环境试验箱，位于低温环境试验箱一侧的结构试验平台(1)上安装有载荷模拟装置，位于低温环境试验箱另一侧的结构试验平台(1)上安装有约束装置；所述载荷模拟装置和约束装置相向的端部分别伸至低温环境试验箱中，低温环境试验箱中容置有试验模型(36)，伸至低温环境试验箱的载荷模拟装置和约束装置分别与试验模型(36)两端铰接连接。
2.如权利要求1所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述载荷模拟装置包括有输出端水平设置的液压作动器(5)，液压作动器(5)尾端相对于结构试验平台(1)固定安装，液压作动器(5)输出端依次安装有载荷传感器(14)和连接组件，连接组件伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳一(22)，拉耳一(22)通过轴向水平设置的销轴一(23)与试验模型(36)铰接。
3.如权利要求2所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述液压作动器(5)尾端安装有油缸连接座(4)，油缸连接座(4)固定安装于三角形反力架一(3)侧面，三角形反力架一(3)通过地脚螺栓组一(2)固定安装于结构试验平台(1)上。
4.如权利要求2所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述连接组件的结构为：包括与载荷传感器(14)固定安装的连接法兰一(15)，连接法兰一(15)侧面固定配装有连接法兰二(17)，连接法兰二(17)中心处通过螺纹连接安装有水平设置的短拉杆(18)，短拉杆(18)端部伸至低温环境试验箱中并通过螺纹连接安装拉耳一(22)；位于低温环境试验箱外部的短拉杆(18)上套装有散热片一(19)，短拉杆(18)与低温环境试验箱壁面之间通过铝箔软管(20)进行动态密封。
5.如权利要求4所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述铝箔软管(20)套装于短拉杆(18)上，铝箔软管(20)一端粘贴于短拉杆(18)周向壁面上，铝箔软管(20)另一端嵌套安装有固定卡扣(21)，固定卡扣(21)固定锁装于低温环境试验箱的外壁面上。
6.如权利要求4所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述连接法兰一(15)与连接法兰二(17)之间压装有隔热垫(16)。
7.如权利要求1所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述低温环境试验箱的结构为：包括承载于结构试验平台(1)上的、开口朝上的低温箱箱体(30)，低温箱箱体(30)侧面设置有制冷机组(31)，低温箱箱体(30)与制冷机组(31)共同封装为一个整体；所述低温箱箱体(30)开口处配装有低温箱盖(32)，低温箱箱体(30)壁面上设置有低温箱观察窗(35)和内外贯通的测试引线孔，测试引线孔中塞装有硅胶发泡塞(34)；所述低温箱箱体(30)顶部沿着周向均匀设置有锁扣(33)，通过锁扣(33)与低温箱盖(32)配装。
8.如权利要求1所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述约束装置的结构为：包括通过地脚螺栓组二(10)固定安装于结构试验平台(1)上的三角形反力架二(11)，三角形反力架二(11)贴合配装有反力框，反力框上锁装有水平布置的长拉杆(27)，长拉杆(27)端部伸至低温环境试验箱中并安装有拉耳二(25)，拉耳二(25)通过轴向水平设置的销轴二(24)与试验模型(36)铰接连接；所述低温环境试验箱贯穿长拉杆(27)处塞装有硅胶发泡密封套(26)，位于反力框与低温环境试验箱之间的长拉杆(27)上套装有散热片二(28)。
9.如权利要求8所述的极地低温环境结构试验装置，其特征在于：所述反力框的结构为：包括间隔设置的前横梁(8)和后横梁(12)，前横梁(8)和后横梁(12)之间于四个角处通过锁紧螺母(6)共同安装有拉杆(9)；所述三角形反力架二(11)位于前横梁(8)与后横梁(12)之间并与后横梁(12)贴合；所述前横梁(8)底面和后横梁(12)底面分别垫装有垫凳一(7)和垫凳二(13)。
10.一种权利要求1所述的极地低温环境结构试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
在试验模型(36)和同等材料的温度补偿板上分别安装低温电阻应变计；
将载荷模拟装置、低温环境试验箱和约束装置分别安装于结构试验平台(1)上；
将试验模型(36)放置于低温环境试验箱中，并将试验模型(36)两端分别与载荷模拟装置、约束装置铰接连接，在试验模型(36)上安装温度传感器、位移传感器；
将温度补偿板放置于低温环境试验箱中靠近试验模型(36)的位置；
将低温电阻应变计、温度传感器、位移传感器相对应的测试导线穿出低温环境试验箱并连接至数据采集仪上；
载荷模拟装置工作，在常温下以小于试验载荷最大值30％的载荷进行预加载试验，并卸载；
载荷模拟装置工作，以预设的试验载荷向试验模型(36)施加约束，同时开启制冷压缩机将低温环境试验箱内进行降温，并通过数据采集仪监测采集的数据；
待低温环境试验箱中的温度达到预设低温，且采集的数据半小时内的波动在±5με内后，通过载荷模拟装置进行载荷加载，进行试验模型(36)在低温环境下的结构强度综合试验，并通过数据采集仪进行结构强度综合试验过程中的数据采集。
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