CN114965020A - 弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法。弯曲刚度测试装置包括：安装平台；两个过线结构；夹持结构，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构、夹持结构和另一个过线结构；沿第二方向，夹持结构相对于安装平台可移动地设置，夹持结构具有使待测试件处于初始状态的初始位置以及使待测试件处于弯曲状态的移动位置；多个位移检测结构，至少部分位移检测结构与夹持结构对应设置，位移检测结构用于检测待测试件上待测位置的位移；力检测结构，用于检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小；其中，第一方向与第二方向垂直。本发明的技术方案中，通过弯曲刚度测试装置能够提高测试精度。

Description

弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法

技术领域

本发明涉及弯曲刚度测试技术领域，具体而言，涉及一种弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法。

背景技术

弯曲刚度是海底电缆重要的技术指标，弯曲刚度直接影响导缆运输、施工安装、水中线型设计、打捞回接等关键过程，是系统设计工程师和安装工程师必备参数。面临深水施工要求，海底电缆的弯曲刚度决定了其在运输和施工过程中受到外力作用下的最小弯曲半径和疲劳寿命分布。

配置弯曲刚度试验机可为项目施工提供指导。然而目前主流的弯曲刚度试验机都是采用人工读数，依靠手动记录缆的弯曲变形位移和推力变化来提取弯曲刚度分布曲线，数据提取和统计存在误差和不对应等问题，导致测试精度较低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法，通过弯曲刚度测试装置能够提高测试精度。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种弯曲刚度测试装置，包括：安装平台；两个过线结构，沿第一方向，两个过线结构间隔布置在安装平台上；夹持结构，位于两个过线结构之间，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构、夹持结构和另一个过线结构；沿第二方向，夹持结构相对于安装平台可移动地设置，夹持结构具有使待测试件处于初始状态的初始位置以及使待测试件处于弯曲状态的移动位置；多个位移检测结构，沿第一方向，多个位移检测结构依次安装在安装平台上，且多个位移检测结构均位于两个过线结构之间，至少部分位移检测结构与夹持结构对应设置，位移检测结构用于检测待测试件上待测位置的位移；力检测结构，用于检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小；其中，第一方向与第二方向垂直。

进一步地，弯曲刚度测试装置还包括导向结构，导向结构用于对夹持结构相对于安装平台的移动进行导向。

进一步地，导向结构包括导轨，导轨安装在安装平台上，导轨沿第二方向延伸；夹持结构与导轨滑动配合。

进一步地，导向结构还包括滑块，滑块与导轨滑动配合，夹持结构与滑块固定连接；和/或，导向结构包括至少两个导轨，至少两个导轨沿第一方向依次间隔布置。

进一步地，夹持结构包括夹持组件，夹持组件包括：支撑件；夹持件，用于夹持待测试件；其中，夹持件在水平面内可转动地设置在支撑件上。

进一步地，夹持结构包括两个夹持组件，沿第一方向，两个夹持组件依次布置，且两个夹持组件之间的距离可调。

进一步地，弯曲刚度测试装置还包括传动机构，传动机构设置在安装平台上，传动机构与至少一个夹持组件连接，以带动夹持组件移动。

进一步地，弯曲刚度测试装置还包括驱动电缸，驱动电缸设置在安装平台上，驱动电缸的输出轴与传动机构驱动连接，以带动传动机构相对于安装平台沿第二方向移动；力检测结构设置在驱动电缸上。

进一步地，传动机构包括：连接板；丝杆，可转动地设置在连接板上；导向杆，固定设置在连接板上，且导向杆与丝杆并排布置；以及滑板，滑板上设有间隔设置的螺纹孔和光孔，螺纹孔与丝杆的外螺纹螺纹配合，导向杆穿设在光孔内，夹持组件与滑板对应连接，在外力的作用下，丝杆相对于连接板转动，带动滑板移动，滑板能够带动夹持组件移动；驱动电缸的输出轴与连接板固定连接，以带动传动机构移动。

进一步地，过线结构为井字轮；或者，弯曲刚度测试装置还包括驱动电缸和控制部，驱动电缸与夹持结构驱动连接，以带动夹持结构沿第二方向移动，力检测结构用于检测驱动电缸施加在夹持结构上的作用力的大小；多个位移检测结构、力检测结构和驱动电缸均与控制部连接，控制部用于根据位移检测结构和力检测结构反馈的数据计算待测试件的弯曲刚度，并能够根据力检测结构反馈的数据控制驱动电缸的动作。

根据本发明的另一方面，提供了一种海缆弯曲刚度测试方法，测试方法采用上述的弯曲刚度测试装置进行测试，待测试件为海缆；测试方法包括：通过多个位移检测结构分别获取海缆上多个待测位置的位移；通过力检测结构获取施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小；根据多个待测位置的位移和作用力的大小计算海缆的弯曲刚度。

进一步地，位移检测结构的数量为三个；测试方法还包括：将夹持结构保持在初始位置，并将海缆依次穿过其中一个过线结构、夹持结构和另一个过线结构；根据海缆的缆径尺寸，调整夹持结构的两个夹持组件之间的距离；将两个位移检测结构分别与两个夹持组件对应设置，另一个位移检测结构与两个夹持组件的中间位置对应设置；在拉力作用下，夹持结构沿第二方向移动，带动海缆从初始状态运动至弯曲状态；根据位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和拉力的大小计算海缆的弯曲刚度。

进一步地，测试方法还包括：在推力作用下，夹持结构沿第二方向移动，带动海缆从弯曲状态运动至初始状态；根据位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和推力的大小计算海缆的弯曲刚度。

应用本发明的技术方案，待测试件处于初始状态时，夹持结构处于初始位置，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构、夹持结构和另一个过线结构，实现将待测试件安装至弯曲刚度测试装置上的目的。沿第二方向，夹持结构相对于安装平台可移动，在夹持结构的带动下，待测试件被拉伸发生弯曲，此时待测试件处于弯曲状态。两个过线结构之间依次设有多个位移检测结构，多个位移检测结构与待测试件上的多个待测位置一一对应，位移检测结构用于检测待测试件上相应待测位置的位移。力检测结构用于检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小。依据位移检测结构检测的位移参数和力检测结构检测的作用力参数，根据相应的计算公式即可获得准确的待测试件的弯曲刚度。由上述可知，本发明的实施例中，通过位移检测结构能够自动检测待测试件上待测位置的位移；通过力检测结构能够自动检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小。本申请的自动化程度较高，能够避免采用人工方式进行数据提取和统计过程中出现的误差和不对应等问题，从而提高测试精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的弯曲刚度测试装置的实施例的一个角度的立体结构示意图；

图2示出了图1的弯曲刚度测试装置的另一角度的立体结构示意图；以及

图3示出了图2的弯曲刚度测试装置的局部放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、安装平台；20、过线结构；30、夹持结构；31、夹持组件；311、支撑件；312、夹持件；40、导向结构；41、导轨；50、传动机构；51、连接板；52、丝杆；53、导向杆；54、滑板；70、驱动电缸；80、第二驱动结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

海底电缆由多根不同材料属性的功能单元绞合而成，各单元之间的摩擦系数随着温度变化而改变，因此海底电缆的弯曲刚度呈现非线性变化特征，并且温度影响十分明显。

弯曲刚度是海底电缆重要的技术指标，弯曲刚度直接影响导缆运输、施工安装、水中线型设计、打捞回接等关键过程，是系统设计工程师和安装工程师必备参数。面临深水施工要求，海底电缆的弯曲刚度决定了其在运输和施工过程中受到外力作用下的最小弯曲半径和疲劳寿命分布。

配置弯曲刚度试验机可为项目施工提供指导。然而目前主流的弯曲刚度试验机普遍存在以下缺陷和不足：

1、多采用人工读数，依靠手动记录缆的弯曲变形位移和载荷作用关系(比如推力变化)来提取弯曲刚度分布曲线，数据提取和统计存在误差和不对应等问题，导致测试精度较低。

2、弯曲刚度试验机只能完成单向(如推伸或拉回)弯曲刚度测试模式，不能提供双向测试反复拉弯刚度数据，提供不了海缆刚度迟滞曲线。

3、根据相关标准，弯曲刚度测试方案分为四点加载测试(即水平刚度测试)和悬臂梁测试(即竖直刚度测试)两种方案，受缆本体重量限制，若采用竖直刚度测试方案，竖直方向受到缆本体重力影响，干扰施加载荷和位移变化，影响测试精度；若采用水平刚度测试方案，缆自身重力与测试平台存在摩擦效应，制约了施加载荷，降低了测试精度。

4、载荷输出精度不足，满足不了较小直径海缆刚度测试要求。

5、测试较柔软的海缆时，端部压块导致缆本体弹性变形，进一步降低了位移测试精度，或会影响缆本体的弹性变形。

为了解决上述问题，本发明及本发明的实施例提供了一种弯曲刚度测试装置及海缆弯曲刚度测试方法。

需要说明的是，本发明的实施例中，待测试件为海底电缆，弯曲刚度测试装置为用于测试海底电缆的弯曲刚度的测试装置。当然，在本申请的替代实施例中，待测试件还可以为其他结构，比如陆地电缆、输流管、绳索或者纤维等。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置包括安装平台10、两个过线结构20、夹持结构30、多个位移检测结构和力检测结构，沿第一方向，两个过线结构20间隔布置在安装平台10上；夹持结构30位于两个过线结构20之间，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构20、夹持结构30和另一个过线结构20；沿第二方向，夹持结构30相对于安装平台10可移动地设置，夹持结构30具有使待测试件处于初始状态的初始位置以及使待测试件处于弯曲状态的移动位置；沿第一方向，多个位移检测结构依次安装在安装平台10上，且多个位移检测结构均位于两个过线结构20之间，至少部分位移检测结构与夹持结构30对应设置，位移检测结构用于检测待测试件上待测位置的位移；力检测结构用于检测施加在夹持结构30上用于带动夹持结构30移动的作用力的大小；其中，第一方向与第二方向垂直。

上述设置中，安装平台10对过线结构20、夹持结构30、位移检测结构和力检测结构均具有支撑作用。待测试件处于初始状态时，夹持结构30处于初始位置，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构20、夹持结构30和另一个过线结构20，实现将待测试件安装至弯曲刚度测试装置上的目的。沿第二方向，夹持结构30相对于安装平台10可移动，在夹持结构30的带动下，待测试件被拉伸发生弯曲，此时待测试件处于弯曲状态。

两个过线结构20之间依次设有多个位移检测结构，多个位移检测结构与待测试件上的多个待测位置一一对应，位移检测结构用于检测待测试件上相应待测位置的位移。力检测结构用于检测施加在夹持结构30上用于带动夹持结构30移动的作用力的大小。依据位移检测结构检测的位移参数和力检测结构检测的作用力参数，根据相应的计算公式(下文对该计算公式进行具体描述)即可获得准确的待测试件的弯曲刚度。

需要说明的是，本发明的实施例中，待测试件上待测位置的位移指的是该待测位置从初始状态运动到弯曲状态的位移。

由上述可知，本发明的实施例中，通过位移检测结构能够自动检测待测试件上待测位置的位移；通过力检测结构能够自动检测施加在夹持结构30上用于带动夹持结构30移动的作用力的大小。相较于人工读数、手动记录的技术而言，本申请的自动化程度较高，能够避免采用人工方式进行数据提取和统计过程中出现的误差和不对应等问题，从而提高测试精度。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，过线结构20为井字轮。具体地，井字轮包括相对设置的两个横向转轴、相对设置的两个竖向转轴以及四个辊轮，各横向转轴上均可转动地设置了一个辊轮，各竖向转轴上均可转动地设置了一个辊轮，两个横向转轴和两个竖向转轴配合形成井字形，相对应地，四个辊轮之间形成供待测试件穿过的过线空间。两个横向转轴之间的距离可调。两个竖向转轴之间的距离可调。

优选地，本发明的实施例中，过线结构20为开口井字轮。沿第一方向，开口井字轮放置于安装平台的两侧，用于放置待测试件。沿第一方向，安装平台10的两侧均设有过线结构20，两个过线结构20之间的距离可调。

本发明的实施例中，位移检测结构为位移传感器。力检测结构为压力传感器。

优选地，弯曲刚度测试装置还包括第一驱动结构，第一驱动结构设置在安装平台10上，第一驱动结构与夹持结构30驱动连接，以带动夹持结构30相对于安装平台10沿第二方向移动，第一驱动结构用于向夹持结构30施加带动夹持结构30移动的作用力。优选地，第一驱动结构可以为电缸，可精准控制移动速度，也可更易控制力的大小。优选地，电缸为伺服电缸，最大力值为2.5kN。当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，使第一驱动结构为液压缸等。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括导向结构40，导向结构40用于对夹持结构30相对于安装平台10的移动进行导向。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，导向结构40包括导轨41，导轨41安装在安装平台10上，导轨41沿第二方向延伸；夹持结构30与导轨41滑动配合。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置采用四点加载测试(即水平刚度测试)方式对待测试件的弯曲刚度进行测试。

传统的四点加载测试方式，受缆本体重量限制，缆自身重力与测试平台存在摩擦效应，制约了施加载荷，降低了测试精度。

本发明的实施例中，通过在安装平台10上安装导轨41，并使夹持结构30与导轨41滑动配合，使夹持结构30相对于安装平台10滑动，减小了夹持结构30与安装平台10之间的摩擦效应，能够准确施加载荷，提高测试精度。

优选地，为了减小摩擦力的影响，导向结构40选择摩擦系数0.001的滑动导轨。

本发明的实施例中，导向结构40还包括滑块，滑块与导轨41滑动配合，夹持结构30与滑块固定连接。夹持结构30通过滑块与导轨41滑动配合。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，导向结构40包括至少两个导轨41，至少两个导轨41沿第一方向依次间隔布置。

优选地，导向结构40还包括至少两个滑块，至少两个滑块与至少两个导轨41一一对应设置。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，夹持结构30包括夹持组件31，夹持组件31包括支撑件311和夹持件312，夹持件312用于夹持待测试件；其中，夹持件312在水平面内可转动地设置在支撑件311上。

上述设置中，支撑件311用于安装和支撑夹持件312，夹持件312用于夹持待测试件。在夹持结构30带动待测试件运动的过程中，待测试件发生弯曲，随着待测试件发生弯曲，夹持件312相对于支撑件311发生转动，以适应待测试件上夹持位置的弯曲度，避免由于夹持件312不能转动而导致待测试件产生折弯或损坏的问题。

本发明的实施例中，夹持件312为卡箍。优选地，卡箍的内直径为350mm，以此来满足缆径最大为350mm的要求。

如图2所示，本发明的实施例中，夹持结构30包括两个夹持组件31，沿第一方向，两个夹持组件31依次布置，且两个夹持组件31之间的距离可调。

本发明的实施例中，沿第一方向，两个夹持组件31均相对于安装平台10可移动地设置，以对两个夹持组件31之间的距离进行调节。

通过夹持组件31沿第一方向的移动，可以调整夹持组件31夹持待测试件的夹持位置，以适应实际需要和实际情况，适应性高，灵活性高。

本发明的实施例中，位移检测结构的数量为三个，其中两个位移检测结构与两个夹持组件31一一对应设置，另一个位移检测结构与两个夹持组件31之间的中间位置对应，以分别检测待测试件上相对应待测位置的位移。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，三个位移检测结构放置于安装平台10的背离待测试件的弯曲方向的边侧，分别直射其中一个夹持组件31的位置、另一个夹持组件31的位置和两个夹持组件31之间的中间位置。

本发明的实施例中，由于夹持组件31相对于安装平台10沿第一方向可移动地设置，因此，相对应地，位移检测结构也可以相对于安装平台10沿第一方向移动。位移检测结构可拆卸地安装在安装平台10上，沿第一方向，安装平台10上设有多个安装孔，通过将锁紧件(比如螺钉或者螺钉和螺母)选择性地与多个安装孔中的一个配合，能够实现位移检测结构相对于安装平台10的移动，并能够将位移检测结构固定安装在安装平台10的相应位置。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括传动机构50，传动机构50设置在安装平台10上，传动机构50与至少一个夹持组件31连接，以带动夹持组件31移动。

上述设置中，安装平台10用于安装和支撑传动机构50。在外力的作用下，传动机构50能够带动夹持组件31移动，以调节两个夹持组件31之间的距离。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括驱动电缸70，驱动电缸70设置在安装平台10上，驱动电缸70的输出轴与传动机构50驱动连接，以带动传动机构50相对于安装平台10沿第二方向移动；力检测结构设置在驱动电缸70上。

上述设置中，安装平台10用于安装和支撑驱动电缸70。驱动电缸70带动传动机构50沿第二方向移动，从而使传动机构50带动夹持组件31沿第二方向移动，进而带动待测试件弯曲。力检测结构用于检测驱动电缸70施加给传动机构50的作用力的大小，也就是驱动电缸70施加给夹持结构30以带动夹持结构30移动的作用力的大小。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，位移检测结构、夹持结构30、传动机构50和驱动电缸70沿第二方向依次设置。

当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，将力检测结构设置在驱动电缸70的输出轴与传动机构50之间，以检测驱动电缸70施加到传动机构50上的作用力大小。

如图2和图3所示，本发明的实施例中，传动机构50包括连接板51、丝杆52、导向杆53和滑板54，丝杆52可转动地设置在连接板51上；导向杆53固定设置在连接板51上，且导向杆53与丝杆52并排布置；以及滑板54上设有间隔设置的螺纹孔和光孔，螺纹孔与丝杆52的外螺纹螺纹配合，导向杆53穿设在光孔内，夹持组件31与滑板54对应连接，在外力的作用下，丝杆52相对于连接板51转动，带动滑板54移动，滑板54能够带动夹持组件31移动；驱动电缸70的输出轴与连接板51固定连接，以带动传动机构50移动。

具体地，如图2和图3所示，本发明的实施例中，传动机构50包括连接板51、可转动地设置在连接板51上的丝杆52、固定设置在连接板51上的导向杆53以及与丝杆52螺纹配合的滑板54，导向杆53与丝杆52并排布置，滑板54上设有间隔设置的螺纹孔和光孔，螺纹孔与丝杆52的外螺纹螺纹配合，导向杆53穿设在光孔内。

如图2和图3所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括第二驱动结构80，第二驱动结构80与夹持组件31驱动连接，用于驱动夹持组件31沿第一方向移动。

第二驱动结构80与丝杆52连接，第二驱动结构80带动丝杆52转动，由于导向杆53限制滑板54的转动，使得滑板54相对于丝杆52的转动转化为移动，从而使滑板54沿着丝杆52移动。滑板54的数量为两个，且两个滑板54的螺纹孔的螺纹旋向相反，两个夹持组件31与两个滑板54一一对应连接，滑板54带动与其对应的夹持组件31沿第一方向移动。

驱动电缸70的输出轴与连接板51固定连接，驱动电缸70带动连接板51沿第二方向移动，从而带动丝杆52、导向杆53、滑板54以及夹持组件31一起沿第二方向移动。连接板51与导向结构40的滑块固定连接，连接板51随滑块沿导轨41移动。

当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，使传动机构为手摇丝杆。手摇丝杆还包括把手，把手与丝杆52连接，当对把手施加外力时，丝杆52转动，由于导向杆53限制滑板54的转动，使得滑板54相对于丝杆52的转动转化为移动，从而使滑板54沿着丝杆52移动。

本发明的实施例中，丝杆52上连接着卡箍，卡箍可在丝杆52上移动，试验前会通过移动卡箍位置来满足不同缆径的测试缆的要求。

丝杆52和卡箍所组成的连接件可被驱动电缸拉伸或者推伸，该连接件在导轨41上移动。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括控制部，位移检测结构、力检测结构和驱动电缸70均与控制部连接，位移检测结构能够将检测的位移值、力检测结构能够将检测的拉力值或压力值均反馈给控制部，控制部能够根据获取的拉力值或压力值控制驱动电缸70的动作，并且，控制部根据获取的位移值、拉力值或压力值以及相应的计算公式计算待测试件的弯曲刚度。

优选地，控制部为PLC(可编程逻辑控制器)。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置还包括输出设备，控制部与输出设备连接，控制部将处理后的数据反馈给输出设备，输出设备用于记录、显示刚度曲线。可选地，输出设备为具有显示屏的计算机。

本发明的实施例中，从测试、到检测、再到计算的整个过程均由机械装置或电气元器件操作完成，自动化程度高，能够保证测试精度。

具体地，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置采用四点加载测试方案进行设备设计，能够对弯曲角度、对应位移以及周围温度进行测量，所有测试结果通过测试装置自动采集。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置的机械装置主要包括安装平台10、驱动电缸70、传动机构50、夹持组件31、导向结构40、过线结构20、力检测结构和位移检测结构。力检测结构和位移检测结构均通过控制部与计算机连接，可快速提取刚度分布曲线。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置的试验步骤如下：

准备试验时，两个开口井字轮和卡箍在同一直线上，待测试缆(即待测试件)放置于两端的开口井字轮上，并穿过两个卡箍，此时待测试缆所处的状态为初始状态。

根据不同缆径的待测试缆对应的要求(根据项目要求所定，均不相同)，调整两个卡箍之间的距离，记录下两个卡箍之间的距离为L₁，再记录下卡箍和与该卡箍同侧对应的开口井字轮之间的水平距离为L₂，两个卡箍与对应开口井字轮之间的水平距离均为L₂。

开始试验时，操作人员启动装置，驱动电缸70开始工作带动卡箍沿第二方向移动，拉弯位于卡箍里的待测试缆，拉弯过程中，三个位移检测结构和力检测结构实时记录对应三个位置的位移值即变形量S₁、S₂、S₃和拉力值或推力值F。

弯曲刚度测试装置上的位移检测结构和力检测结构将数据传送给控制部，控制器根据获取的数据计算该过程中的变形曲率

施加弯矩M、弯曲刚度值EI_Z，并将上述数据输送给计算机。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置具有以下优点：

1、通过一个驱动电缸，实现四点加载，通过设置位移检测结构和力检测结构可精确测量海缆在拉伸、推伸过程中的载荷和位移变化，通过两种数据输出可快速提取海缆在不同弯曲半径下、不同温度下的刚度曲线。

2、采用水平测试方法，海缆被固定在可水平活动的滑块上，滑块压力受到缆本体重量作用，压力实时记录，并反馈至摩擦力，驱动电缸推拉力可准确减去摩擦力影响，提升刚度测试准确性。

3、缆本体与测试装置通过可旋转的卡箍完成固定，驱动电缸施加载荷可通过卡箍均匀施加到缆本体上，避免缆本体变形造成位移记录精度不准的影响。

4、驱动电缸连接传动机构，通过传动机构调整两个卡箍之间的固定间距，满足不同重量和不同外径的海缆测试需求。

本发明的实施例中，海缆弯曲刚度测试方法采用上述的弯曲刚度测试装置进行测试，待测试件为海缆；测试方法包括：

通过多个位移检测结构分别获取海缆上多个待测位置的位移；

通过力检测结构获取施加在夹持结构30上用于带动夹持结构30移动的作用力的大小；

根据多个待测位置的位移和作用力的大小计算海缆的弯曲刚度。

本发明的实施例中，位移检测结构的数量为三个；测试方法还包括：

将夹持结构30保持在初始位置，并将海缆依次穿过其中一个过线结构20、夹持结构30和另一个过线结构20；

根据海缆的缆径尺寸，调整夹持结构30的两个夹持组件31之间的距离；

将两个位移检测结构分别与两个夹持组件31对应设置，另一个位移检测结构与两个夹持组件31的中间位置对应设置；

在拉力作用下，夹持结构30沿第二方向移动，带动海缆从初始状态运动至弯曲状态；

根据位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和拉力的大小计算海缆的弯曲刚度。

本发明的实施例中，测试方法还包括：

在推力作用下，夹持结构30沿第二方向移动，带动海缆从弯曲状态运动至初始状态；

根据位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和推力的大小计算海缆的弯曲刚度。

具体地，本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置的测试方法主要包括根据变形量、拉力值或推力值、两个卡箍之间的距离以及卡箍和与该卡箍同侧对应的开口井字轮之间的水平距离计算弯曲刚度的步骤。其中，该步骤进一步包括：

步骤一：获取两个卡箍之间的距离为L₁、卡箍和与该卡箍同侧对应的开口井字轮之间的水平距离为L₂、变形量S₁、S₂、S₃以及拉力值或推力值F；

步骤二：根据如下公式计算弯曲刚度值：

变形曲率

施加弯矩M：M＝(F*L₂)/2；

弯曲刚度值EI_Z：

具体地，本发明的实施例中，待测试缆由两个可在水平面内转动的卡箍夹持并支撑，卡箍由驱动电缸驱动移动，使得待测试缆中间位置发生形变，变形过程中，记录两个卡箍之间的距离为L₁、卡箍和与该卡箍同侧对应的开口井字轮之间的水平距离为L₂、驱动电缸施加的拉力值或推力值F以及对应三个位置的变形量S₁、S₂、S₃。

依据上述各检测值，可以根据下述公式计算弯曲刚度值：

变形曲率

施加弯矩M：M＝(F*L₂)/2；

弯曲刚度值EI_Z：

其中，

为变形曲率；M为施加弯矩；EI_Z为弯曲刚度值；S₁为两个卡箍中间位置对应的待测试件的待测位置的位移值；S₂和S₃分别为与卡箍对应的待测试件的待测位置的位移值；L₁为两个卡箍之间的水平距离；F为驱动电缸施加给夹持结构的作用力大小；L₂为卡箍和与该卡箍同侧对应的开口井字轮之间的水平距离。

顶弯过程中，由于各组成单元之间的粘滞/滑移效应，弯曲刚度也分为粘滞刚度和滑移刚度。测试装置可通过数据拟合，提取两个参数，作为海底电缆刚度的测试值。

位移检测结构和力检测结构传输数据给控制部，控制部连接着工业电脑(即计算机)，控制部处理数据并传送给工业电脑，工业电脑中通过C#软件设计出操作界面并形成测试数据记录图，其中需要的数据均通过控制部获取。同时工业电脑上的操作界面可传送信号给控制部，进行控制驱动电缸的输出。弯曲刚度测试装置具备直线(待测试件处于初始状态)→顶弯和弯曲(待测试件处于弯曲状态)→拉直(待测试件处于初始状态)两种功能，可对整个过程进行数据记录。

当待测试缆被拉弯(顶弯)到一定位移后，该点为测试数据记录的极点，此时的曲线为顶弯曲线。此时，电缸输出的拉力逐渐变小至产生推力，将待测试缆顶直至初始状态，这个过程中，同样是不断检测位移值和推力值，并计算得出数据记录图中的拉直曲线。最终顶弯曲线和拉直曲线形成了待测试缆弯曲刚度曲线。

完成上述一次待测试缆弯曲刚度曲线后，可将曲线进行保存至工业电脑，同时可以打印此次试验的弯曲刚度报告。完成一次测试后，可再次对此根待测试缆测试其弯曲刚度性能。

本发明的实施例中，可将弯曲刚度测试装置推进不同温度的烘房进行刚度测试，为不同温度海域的动态缆运行提供准确的刚度结果。通过控制部和计算机可自动记录数据输入表格绘制成曲线报表，通过设备内置算法提取铠装海缆在不同温度下的刚度分布。

弯曲刚度测试装置可以设置不同拉伸运行模式，当设定好最大位移点后，可以设置成恒速度模式或者恒拉力模式，其中，恒速度模式为拉伸待测试缆(即待测试件)时保持恒速度到达最大位移点，恒拉力模式是保持恒拉力拉伸待测试缆到达最大位移点，其中，最大位移点的设定是根据每根待测试缆的技术要求确定的。

弯曲刚度测试装置的技术参数要求如下，允许输入待测试缆的范围为：最大待测试缆长6m，最大待测试缆径350mm，最大待测试缆重160kg/m；驱动电缸最大输出力值±20KN，最小输出精度10N；位移检测结构所测位移最大值为1.5m，测试精度为10mm；温度精度0.1℃；最大摩擦力系数0.01。

当满足以上要求时，可对需求弯曲刚度参数的绝大部分待测试缆进行测试，其中，待测试缆主要包括动态缆和脐带缆。

为了达到以上技术参数要求，本发明的实施例在设计与选型方面做了如下工作：

安装平台本身制作长度6m，卡箍内圈直径350mm，安装平台本身承重通过选型计算允许承受的缆重达到160kg/m，输入缆的范围符合要求。驱动电缸、位移检测结构、温度计在选型时即选用符合要求的电气元器件。导向结构选用理想摩擦系数为0.001的滑块和导轨，并且在软件设计中，运用算法在计算时去除摩擦力大小(位移刚好出现变化时的拉力大小即约为摩擦力大小)，以此将摩擦力的影响降到最小。

本发明的实施例中，所有元件的选型均为耐高温元件，可以在高温下工作，以此满足弯曲刚度测试时需要在不同温度环境下的要求。

在软件开发方式上，通过C#、组态王、scada系统(即数据采集与监视控制系统)等均可实现设计操作界面的功能。

本发明的实施例中，通过C#设计操作界面，在C#设计出的操作界面中，可对弯曲刚度测试装置进行启动和停止，界面上可显示驱动电缸力值F、三个位移值S₁、S₂和S₃、计算得出的变形曲率

弯矩M、弯曲刚度EI_Z、当前温度T、卡箍之间的距离L₁、卡箍与开口井字轮之间的水平距离L₂等数据，也可选择拉伸运行模式(恒速度或者恒拉力)。同时界面上存在弯曲刚度试验记录图，随着试验的进行，曲线在图上自动画出，在完成试验后，可对试验图进行打印成报告。试验测试数据均可查，存在于电脑系统中，便于历史数据查询。

通过本申请的技术方案，提高了自动化水平，能够实现全自动化。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置具有以下优点：

1、弯曲刚度测试装置可快速提取海缆在不同弯曲半径下、不同温度下的弯曲刚度曲线。

2、弯曲刚度测试装置能够对摩擦力进行多次处理(比如通过导向结构的选择以及算法补偿等)，测试准确性高。

3、弯曲刚度测试装置可满足不同重量和不同外径的海缆测试需求。

4、弯曲刚度测试装置的结构简单且可拆卸，可推进不同温度的烘房进行刚度测试，为不同温度海域的动态缆运行提供准确的刚度结果。

本发明的实施例中，弯曲刚度测试装置可应用于海缆弯曲刚度参数的测量。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：待测试件处于初始状态时，夹持结构处于初始位置，待测试件能够依次穿过其中一个过线结构、夹持结构和另一个过线结构，实现将待测试件安装至弯曲刚度测试装置上的目的。沿第二方向，夹持结构相对于安装平台可移动，在夹持结构的带动下，待测试件发生弯曲，此时待测试件处于弯曲状态。两个过线结构之间依次设有多个位移检测结构，多个位移检测结构与待测试件上的多个待测位置一一对应，位移检测结构用于检测待测试件上相应待测位置的位移。力检测结构用于检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小。依据位移检测结构检测的位移参数和力检测结构检测的作用力参数，根据相应的计算公式即可获得准确的待测试件的弯曲刚度。由上述可知，本发明的实施例中，通过位移检测结构能够自动检测待测试件上待测位置的位移；通过力检测结构能够自动检测施加在夹持结构上用于带动夹持结构移动的作用力的大小。本申请的自动化程度较高，能够避免数据提取和统计过程中出现误差和不对应等问题，从而提高测试精度。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种弯曲刚度测试装置，其特征在于，包括：

安装平台(10)；

两个过线结构(20)，沿第一方向，两个所述过线结构(20)间隔布置在所述安装平台(10)上；

夹持结构(30)，位于两个所述过线结构(20)之间，待测试件能够依次穿过其中一个所述过线结构(20)、夹持结构(30)和另一个所述过线结构(20)；沿第二方向，所述夹持结构(30)相对于所述安装平台(10)可移动地设置，所述夹持结构(30)具有使所述待测试件处于初始状态的初始位置以及使所述待测试件处于弯曲状态的移动位置；

多个位移检测结构，沿所述第一方向，多个所述位移检测结构依次安装在所述安装平台(10)上，且多个所述位移检测结构均位于两个所述过线结构(20)之间，至少部分所述位移检测结构与所述夹持结构(30)对应设置，所述位移检测结构用于检测所述待测试件上待测位置的位移；

力检测结构，用于检测施加在所述夹持结构(30)上用于带动所述夹持结构(30)移动的作用力的大小；

其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述弯曲刚度测试装置还包括导向结构(40)，所述导向结构(40)用于对所述夹持结构(30)相对于所述安装平台(10)的移动进行导向。

3.根据权利要求2所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述导向结构(40)包括导轨(41)，所述导轨(41)安装在所述安装平台(10)上，所述导轨(41)沿所述第二方向延伸；所述夹持结构(30)与所述导轨(41)滑动配合。

4.根据权利要求3所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，

所述导向结构(40)还包括滑块，所述滑块与所述导轨(41)滑动配合，所述夹持结构(30)与所述滑块固定连接；和/或，

所述导向结构(40)包括至少两个所述导轨(41)，至少两个所述导轨(41)沿所述第一方向依次间隔布置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述夹持结构(30)包括夹持组件(31)，所述夹持组件(31)包括：

支撑件(311)；

夹持件(312)，用于夹持所述待测试件；

其中，所述夹持件(312)在水平面内可转动地设置在所述支撑件(311)上。

6.根据权利要求5所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述夹持结构(30)包括两个所述夹持组件(31)，沿所述第一方向，两个所述夹持组件(31)依次布置，且两个所述夹持组件(31)之间的距离可调。

7.根据权利要求6所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述弯曲刚度测试装置还包括传动机构(50)，所述传动机构(50)设置在所述安装平台(10)上，所述传动机构(50)与至少一个所述夹持组件(31)连接，以带动所述夹持组件(31)移动。

8.根据权利要求7所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述弯曲刚度测试装置还包括驱动电缸(70)，所述驱动电缸(70)设置在所述安装平台(10)上，所述驱动电缸(70)的输出轴与所述传动机构(50)驱动连接，以带动所述传动机构(50)相对于所述安装平台(10)沿所述第二方向移动；所述力检测结构设置在所述驱动电缸(70)上。

9.根据权利要求8所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，所述传动机构(50)包括：

连接板(51)；

丝杆(52)，可转动地设置在所述连接板(51)上；

导向杆(53)，固定设置在所述连接板(51)上，且所述导向杆(53)与所述丝杆(52)并排布置；以及

滑板(54)，所述滑板(54)上设有间隔设置的螺纹孔和光孔，所述螺纹孔与所述丝杆(52)的外螺纹螺纹配合，所述导向杆(53)穿设在所述光孔内，所述夹持组件(31)与所述滑板(54)对应连接，在外力的作用下，所述丝杆(52)相对于所述连接板(51)转动，带动所述滑板(54)移动，所述滑板(54)能够带动所述夹持组件(31)移动；

所述驱动电缸(70)的输出轴与所述连接板(51)固定连接，以带动所述传动机构(50)移动。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的弯曲刚度测试装置，其特征在于，

所述过线结构(20)为井字轮；或者，

所述弯曲刚度测试装置还包括驱动电缸(70)和控制部，所述驱动电缸(70)与所述夹持结构(30)驱动连接，以带动所述夹持结构(30)沿第二方向移动，所述力检测结构用于检测所述驱动电缸(70)施加在所述夹持结构(30)上的作用力的大小；多个所述位移检测结构、所述力检测结构和所述驱动电缸(70)均与所述控制部连接，所述控制部用于根据所述位移检测结构和所述力检测结构反馈的数据计算待测试件的弯曲刚度，并能够根据所述力检测结构反馈的数据控制所述驱动电缸(70)的动作。

11.一种海缆弯曲刚度测试方法，其特征在于，所述测试方法采用权利要求1至10中任一项所述的弯曲刚度测试装置进行测试，待测试件为海缆；所述测试方法包括：

通过多个位移检测结构分别获取海缆上多个待测位置的位移；

通过力检测结构获取施加在所述夹持结构(30)上用于带动所述夹持结构(30)移动的作用力的大小；

根据多个待测位置的位移和作用力的大小计算海缆的弯曲刚度。

12.根据权利要求11所述的海缆弯曲刚度测试方法，其特征在于，所述位移检测结构的数量为三个；所述测试方法还包括：

将所述夹持结构(30)保持在初始位置，并将海缆依次穿过其中一个所述过线结构(20)、夹持结构(30)和另一个所述过线结构(20)；

根据海缆的缆径尺寸，调整所述夹持结构(30)的两个夹持组件(31)之间的距离；

将两个所述位移检测结构分别与两个所述夹持组件(31)对应设置，另一个所述位移检测结构与两个所述夹持组件(31)的中间位置对应设置；

在拉力作用下，所述夹持结构(30)沿第二方向移动，带动海缆从初始状态运动至弯曲状态；

根据所述位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和拉力的大小计算海缆的弯曲刚度。

13.根据权利要求12所述的海缆弯曲刚度测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：

在推力作用下，所述夹持结构(30)沿第二方向移动，带动海缆从弯曲状态运动至初始状态；

根据所述位移检测结构检测的海缆上相应待测位置的位移和推力的大小计算海缆的弯曲刚度。

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