CN115541390A - 一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，其中，该系统包括一测试系统承载框架，测试系统承载框架上设置有四个加载油缸以及两个载荷施加机构，四个加载油缸分别与大型复杂结构件试样的四轴固定连接，用于对测试系统承载框架施加拉或压载荷；两个载荷施加机构用于对测试系统承载框架施加弯曲载荷。本发明公开的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，能够模拟大型复杂结构件的实际结构以及复杂工况，实现大型复杂结构件试样的精准定位安装，进而实现大型复杂结构件的综合性能分析并为疲劳设计提供指导。

Description

一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法。
背景技术
目前，大型复杂结构件在工业上的应用越来越广泛，而大型复杂结构件的失效往往意味着更大的生命财产损失。研究表明，70％-80％的大型复杂结构件失效是由于疲劳失效造成的，因此对其疲劳性能的研究至关重要。由于大型复杂结构件的尺寸大、结构复杂、承受载荷复杂等因素，导致其疲劳行为分析难以全面考虑多尺度因素的综合影响，因此大多停留于材料级试样的基础性能分析，难以满足大型复杂结构件的疲劳设计需求。
因此，需要针对目前存在的重难点问题研发可靠的试验系统，并设计合理的复合试验方法对大型复杂结构件的综合力学性能，特别是疲劳性能进行有效分析。目前对于大试验力条件下的试验方法基本停留在常规单一的拉、压或弯曲载荷或者单轴复合加载，双轴复合加载条件下的疲劳性能研究难以开展。因此，需要在此基础上开拓新的路径，实现大型复杂结构件在复合载荷条件下的疲劳性能研究，进而对大型船舶、油气平台等装备的疲劳设计提供有效的指导作用，避免不必要的生命财产损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，用以解决目前大型复杂结构件双轴复合加载条件下的疲劳性能研究难以开展的问题。
本发明提供一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，包括一测试系统承载框架，所述测试系统承载框架上设置有第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸和第四加载油缸以及第一载荷施加机构和第二载荷施加机构；所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸和所述第四加载油缸分别与大型复杂结构件试样的四轴固定连接，且第一加载油缸和第三加载油缸的连线与第二加载油缸和第四加载油缸的连线相互垂直形成十字交叉，用于对所述测试系统承载框架施加拉或压载荷；所述第一载荷施加机构和所述第二载荷施加机构的纵向线相互垂直，用于对所述测试系统承载框架施加弯曲载荷。
优选地，所述测试系统承载框架为八边形的框架，所述测试系统承载框架其中彼此相互间隔的四个侧面上设置有四轴，所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸和所述第四加载油缸分别与大型复杂结构件试样的四轴固定连接。
优选地，所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸和所述第四加载油缸分别通过加载油缸固定法兰盘安装在测试系统承载框架的四轴上。
优选地，还包括大型复杂结构件试样，所述大型复杂结构件试样为立方体，大型复杂结构件试样设置于测试系统承载框架上；第一载荷施加机构包括弯曲加载反力架、第一弯曲加载油缸和试样承载法兰，第二载荷施加机构包括弯曲加载反力架、第二弯曲加载油缸和试样承载法兰，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的试样承载法兰分别设置于所述待测结构试样的两个相邻侧面上；第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的弯曲加载反力架固定在所述测试系统承载框架上，且分别位于对应的第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸或第四加载油缸的上方及相对应的试样承载法兰所在的待测结构试样的侧面的正前方；第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸的一端通过螺栓固定于相对应的弯曲加载反力架上，另一端设置在相对应的试样承载法兰上；其中，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸相互垂直，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架同时对所述大型复杂结构件试样施加施加弯曲载荷。
优选地，所述第一弯曲加载油缸和所述第二弯曲加载油缸通过螺栓安装在测试系统承载框架上。
优选地，所述第一弯曲加载油缸和所述第二弯曲加载油缸的一端配置有弯曲加载油缸承载法兰，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸的另一端通过弯曲加载油缸承载法兰设置在相对应的试样承载法兰上。
优选地，所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸和所述第四加载油缸配置有压力传感器。
本发明还公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验方法，采用上述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，包括：
第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸和第四加载油缸分别通过加载油缸固定法兰盘安装于测试系统承载框架的四轴上；
第一弯曲加载油缸和第二弯曲加载油缸分别通过弯曲加载油缸承载法兰与大型复杂结构件试样的相邻两侧面固定连接；
启动第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸和第四加载油缸，对测试系统承载框架施加拉或压载荷；
启动第一弯曲加载油缸和第二弯曲加载油缸，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架同时对所述大型复杂结构件试样施加弯曲载荷；
对第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸和第四加载油缸以及第一弯曲加载油缸和第二弯曲加载油缸进行协同控制，试验力可同时到达峰值，进而实现双轴拉和压加双轴弯曲复合载荷的施加，模拟大型复杂结构件的实际工况，获取疲劳性能数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，四个加载油缸分别利用加载油缸固定法兰盘与大型复杂结构件试样的四轴固定连接；两个弯曲加载油缸分别通过弯曲加载油缸承载法兰与大型复杂结构件试样的相邻侧面固定连接，在六个加载油缸和两个弯曲加载油缸的协同作用，能够实现大型复杂结构件的双轴拉/压与双轴弯曲复合加载条件下的疲劳性能分析。本发明公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，能够模拟大型复杂结构件的实际结构以及复杂工况，实现大型复杂结构件试样的精准定位安装，进而实现大型复杂结构件的综合性能分析并为疲劳设计提供指导。
(2)本发明公开了大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合疲劳试验方法，具有系统简单、安全系数高、试验力大以及模拟的加载方式多样等优势，有利于大型复杂结构件在复杂载荷条件下疲劳试验的顺利开展，为大型复杂结构件在复合载荷条件下的综合力学性能研究提供基础，进而对大型船舶、油气平台等装备的性能研究与疲劳设计提供有效的指导作用。
(3)本发明公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，扩展性好，能够满足不同试验力、不同载荷施加方式、不同试样结构等条件下的拉伸、疲劳性能试验，为大型复杂结构件的综合力学性能分析提供更直观的途径，具有广阔的前景和应用价值，并且有利于大型船舶、油气平台等装备的性能研究与疲劳设计，保证其安全、高效服役。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统的俯视图；
图2是本发明实施例1提供的一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统的侧视图。
附图标记说明：1-测试系统承载框架；20-加载油缸固定法兰盘，21-第一加载油缸，22-第二加载油缸，23-第三加载油缸，24-第四加载油缸，25-第一弯曲加载油缸，26- 第二弯曲加载油缸，250-弯曲加载油缸承载法兰；31-弯曲加载反力架，32-弯曲加载油缸，33-试样承载法兰；4-压力传感器；100-大型复杂结构件试样。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了解决目前大型复杂结构件双轴复合加载条件下的疲劳性能研究难以开展的问题，本发明公开了一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统及方法，其中，第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24分别利用加载油缸固定法兰盘20与大型复杂结构件试样100的四轴固定连接；第一弯曲加载油缸25 和第二弯曲加载油缸26分别通过弯曲加载油缸承载法兰250与大型复杂结构件试样100 的相邻侧面固定连接；第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24以及第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26可进行协同控制，试验力可同时到达峰值，进而施加双轴拉和压加双轴弯曲复合载荷，真实模拟大型复杂结构件的实际工况，获得更准确疲劳性能数据。
实施例1
实施例1提供一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，下面结合附图对其结构进行详细描述。
参考图1和图2，该大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统包括一测试系统承载框架1，
所述测试系统承载框架1上设置有第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24以及第一载荷施加机构和第二载荷施加机构；
第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24分别与大型复杂结构件试样100的四轴固定连接，且第一加载油缸21和第三加载油缸23的连线与第二加载油缸22和第四加载油缸24的连线相互垂直形成十字交叉，用于对所述测试系统承载框架1施加拉或压载荷；
第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的纵向线相互垂直，用于对所述测试系统承载框架1施加弯曲载荷。
具体地，所述测试系统承载框架1为八边形的框架，所述测试系统承载框架1其中彼此相互间隔的四个侧面上设置有四轴，第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24分别与大型复杂结构件试样100的四轴固定连接。
更具体地，第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24分别通过加载油缸固定法兰盘20安装在测试系统承载框架1的四轴上。
该大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统还包括大型复杂结构件试样100，所述大型复杂结构件试样100为立方体，大型复杂结构件试样100设置于测试系统承载框架1上；
第一载荷施加机构包括弯曲加载反力架31、第一弯曲加载油缸25和试样承载法兰33，第二载荷施加机构包括弯曲加载反力架31、第二弯曲加载油缸26和试样承载法兰 33，
第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的试样承载法兰33分别设置于所述待测结构试样100的两个相邻侧面上；
第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的弯曲加载反力架31固定在所述测试系统承载框架1上，且分别位于对应的第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23 或第四加载油缸24的上方及相对应的试样承载法兰33所在的待测结构试样100的侧面的正前方；具体地，第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26通过螺栓安装在测试系统承载框架1上。
第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26的一端配置有弯曲加载油缸承载法兰 250，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸25和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸26的一端通过螺栓固定于相对应的弯曲加载反力架31上，另一端通过弯曲加载油缸承载法兰250设置在相对应的试样承载法兰33上。
其中，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸25和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸26相互垂直，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架 31同时对所述大型复杂结构件试样100施加弯矩，进而施加弯曲载荷。
为了观察第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24的施加拉力或压力情况，所述第一加载油缸21、所述第二加载油缸22、所述第三加载油缸23和所述第四加载油缸24配置有压力传感器4。
由于试样承受大试验力、复杂载荷的加载，因此试样承载法兰33和弯曲加载油缸承载法兰250实现待测结构试样100与各加载油缸31之间的连接必须牢固，避免连接位置的断裂，保证其安全性以及数据的准确性。
实施例2
实施例2提供一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验方法，采用实施例1的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，包括以下具体步骤：
步骤S1：第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸 24分别通过加载油缸固定法兰盘20安装于测试系统承载框架1的四轴上；
步骤S2：第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26分别通过弯曲加载油缸承载法兰250与大型复杂结构件试样100的相邻两侧面固定连接；
步骤S3：启动第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24，对测试系统承载框架1施加拉或压载荷；
步骤S4：启动第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架31同时对所述大型复杂结构件试样100施加弯曲载荷；
步骤S5：对第一加载油缸21、第二加载油缸22、第三加载油缸23和第四加载油缸24以及第一弯曲加载油缸25和第二弯曲加载油缸26进行协同控制，试验力可同时到达峰值，进而实现双轴拉和压加双轴弯曲复合载荷的施加，模拟大型复杂结构件的实际工况，获取疲劳性能数据。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，包括一测试系统承载框架(1)，
所述测试系统承载框架(1)上设置有第一加载油缸(21)、第二加载油缸(22)、第三加载油缸(23)和第四加载油缸(24)以及第一载荷施加机构和第二载荷施加机构；
所述第一加载油缸(21)、所述第二加载油缸(22)、所述第三加载油缸(23)和所述第四加载油缸(24)分别与大型复杂结构件试样(100)的四轴固定连接，且第一加载油缸(21)和第三加载油缸(23)的连线与第二加载油缸(22)和第四加载油缸(24)的连线相互垂直形成十字交叉，用于对所述测试系统承载框架(1)施加拉或压载荷；
所述第一载荷施加机构和所述第二载荷施加机构的纵向线相互垂直，用于对所述测试系统承载框架(1)施加弯曲载荷。
2.根据权利要求1所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，
所述测试系统承载框架(1)为八边形的框架，所述测试系统承载框架(1)其中彼此相互间隔的四个侧面上设置有四轴，所述第一加载油缸(21)、所述第二加载油缸(22)、所述第三加载油缸(23)和所述第四加载油缸(24)分别与大型复杂结构件试样(100)的四轴固定连接。
3.根据权利要求2所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，
所述第一加载油缸(21)、所述第二加载油缸(22)、所述第三加载油缸(23)和所述第四加载油缸(24)分别通过加载油缸固定法兰盘(20)安装在测试系统承载框架(1)的四轴上。
4.根据权利要求1所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，还包括大型复杂结构件试样(100)，所述大型复杂结构件试样(100)为立方体，大型复杂结构件试样(100)设置于测试系统承载框架(1)上；
第一载荷施加机构包括弯曲加载反力架(31)、第一弯曲加载油缸(25)和试样承载法兰(33)，第二载荷施加机构包括弯曲加载反力架(31)、第二弯曲加载油缸(26)和试样承载法兰(33)，
第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的试样承载法兰(33)分别设置于所述待测结构试样(100)的两个相邻侧面上；
第一载荷施加机构和第二载荷施加机构的弯曲加载反力架(31)固定在所述测试系统承载框架(1)上，且分别位于对应的第一加载油缸(21)、第二加载油缸(22)、第三加载油缸(23)或第四加载油缸(24)的上方及相对应的试样承载法兰(33)所在的待测结构试样(100)的侧面的正前方；
第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸(25)和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸(26)的一端通过螺栓固定于相对应的弯曲加载反力架(31)上，另一端设置在相对应的试样承载法兰(33)上；
其中，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸(25)和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸(26)相互垂直，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架(31)同时对所述大型复杂结构件试样(100)施加弯曲载荷。
5.根据权利要求4所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，所述第一弯曲加载油缸(25)和所述第二弯曲加载油缸(26)通过螺栓安装在测试系统承载框架(1)上。
6.根据权利要求4所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，所述第一弯曲加载油缸(25)和所述第二弯曲加载油缸(26)的一端配置有弯曲加载油缸承载法兰(250)，第一载荷施加机构的第一弯曲加载油缸(25)和第二载荷施加机构的第二弯曲加载油缸(26)的另一端通过弯曲加载油缸承载法兰(250)设置在相对应的试样承载法兰(33)上。
7.根据权利要求1所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，所述第一加载油缸(21)、所述第二加载油缸(22)、所述第三加载油缸(23)和所述第四加载油缸(24)配置有压力传感器(4)。
8.一种大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验方法，采用权利要求1至7任一所述的大型复杂结构件双轴拉与压弯曲复合试验系统，其特征在于，包括：
第一加载油缸(21)、第二加载油缸(22)、第三加载油缸(23)和第四加载油缸(24)分别通过加载油缸固定法兰盘(20)安装于测试系统承载框架(1)的四轴上；
第一弯曲加载油缸(25)和第二弯曲加载油缸(26)分别通过弯曲加载油缸承载法兰(250)与大型复杂结构件试样(100)的相邻两侧面固定连接；
启动第一加载油缸(21)、第二加载油缸(22)、第三加载油缸(23)和第四加载油缸(24)，对测试系统承载框架(1)施加拉或压载荷；
启动第一弯曲加载油缸(25)和第二弯曲加载油缸(26)，第一载荷施加机构和第二载荷施加机构通过弯曲加载反力架(31)同时对所述大型复杂结构件试样(100)施加弯曲载荷；
对第一加载油缸(21)、第二加载油缸(22)、第三加载油缸(23)和第四加载油缸(24)以及第一弯曲加载油缸(25)和第二弯曲加载油缸(26)进行协同控制，试验力可同时到达峰值，进而实现双轴拉和压加双轴弯曲复合载荷的施加，模拟大型复杂结构件的实际工况，获取疲劳性能数据。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115326592A (zh) * 2022-08-31 2022-11-11 中海石油(中国)有限公司 一种大型复杂结构件弯曲试验装置及其安装方法
CN116718497A (zh) * 2023-07-17 2023-09-08 天津大学 一种异形节点试样的力学性能测试装置

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