CN209858365U - 用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置及测试方法，可用来分析处于直线型受限边界条件内的细长柔性杆受到横向扰动时的失稳特性。实验时，夹持装置、外杆末端固定装置将外杆顶端和底端分别固定，使其保持竖直，轴向载荷施加装置对细长杆施加轴向载荷，同时通过调节液压缸的激振速度及幅值，对外杆产生不同的横向激励，从而使内杆受到横向扰动。实验过程中，记录轴向载荷施加装置中所安装的流量计的流速、压力计的压力，记录外杆末端固定装置中所安装的拉压传感器及扭矩感器的采集数据，通过分析所记录的各个数据，可进一步分析得到横向扰动作用下受限空间内细长杆的失稳机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置及测试方法，具体地说是用来分析水箱中细长杆下入外杆过程中力学传递特性的一种装置。
背景技术
近年来，由于具有节省材料且具备较好的力学特性的优点，细长杆在许多工程中得到了广泛的应用，比如利用细长杆制成的起重机悬臂、通过细长杆触发的自动阀门等，尤其在深海石油探勘开发方面，在海洋立管里开展深海资源开发的海洋钻柱及连续油管等均可看成细长杆。但是与其他杆件相比，细长杆具有较大的细长比、较大的挠度的特点，所以在承受轴向载荷作用的工况下更容易产生弯曲或失稳。此外，细长杆有时还会遭受横向载荷，例如海洋作业时细长杆会受到的横向海洋载荷。因此，为了更好的应用细长杆的力学特性，很有必要设计一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置。
目前相关的专利有：江苏瑞朗博机械设备有限公司申请的:超压时压杆失稳触发动作的阀门组件201410822709,该装置利用细长杆稳定、失稳两种不同状态对于阀芯组件处于工作位置的影响，实现了超压工况下阀门的自动开启或者关闭。
以上专利都是利用细长杆受压情况下失稳特性的实际应用装置，本专利则是模拟横向扰动激励下细长杆失稳特性实验装置，是对细长杆受载荷作用下所表现的力学特性的研究。
发明内容
为了研究细长杆在横向扰动激励下的失稳特性，真实反应在海洋载荷等横向载荷作用下的力学行为，本发明涉及一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置及测试方法，具体地说是用来分析水箱中细长杆下入外杆过程中力学传递特性的一种装置。
本发明涉及一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置由主框架(1)、轴向载荷施加装置(2)、轴向载荷测试装置(3)、夹持装置(4)、玻璃板(5)、同心杆系统(6)、外杆末端固定装置(7)、一号螺栓(8)、一号螺母(9)、横向扰动激励装置(10)、密封条(11)组成。轴向载荷施加装置(2)通过焊接与主框架(1)连接；轴向载荷测试装置(3)通过内部螺纹与轴向载荷施加装置(2)连接；夹持装置(4)通过焊接与主框架(1)连接；玻璃板(5)通过密封条(11)与主框架(1)连接；外杆末端固定装置(7)通过一号螺栓(8)、一号螺母(9)与主框架(1)连接；横向扰动激励装置通过焊接与主框架(1)连接。
本发明实验装置的主框架(1)由上框架立梁(12)、上框架纵梁(13)、上框架横梁(14)、下框架横梁(15)、下框架纵梁(16)、内部横梁(17)、支撑梁(18)、底座(19)、下框架立梁(20)组成。上框架纵梁(13)采用焊接的方式与上框架横梁(14)连接；上框架立梁(12)通过焊接的方式与下框架立梁(20)；下框架横梁(15)通过焊接的方式与下框架纵梁(16)连接；支撑梁(18)通过焊接的方式与底座(19)连接；底座(19)通过焊接的方式与下框架横梁(15)连接。
本发明实验装置的轴向载荷施加装置(2)由支撑杆(21)、进油管(22)、平板(23)、第一液压缸(24)、二号螺栓(25)、二号螺母(26)组成。进油管(22)插入液压缸内，起到液压作用；平板(23)通过焊接与支撑杆(21) 连接；第一液压缸(24)通过二号螺栓(25)、二号螺母(26)与平板(23) 连接。
本发明实验装置的轴向载荷测试装置(3)由进油管上部(27)、连接管 (28)、流量计(29)、压力计(30)、三号螺栓(31)、三号螺母(32)、四号螺栓(33)、四号螺母(34)、五号螺栓(35)、五号螺母(36)组成。进油管上部(27)通过内部螺纹与连接管(28)连接；流量计(29)通过三号螺栓 (31)、三号螺母(32)与连接管(28)连接；压力计(30)通过四号螺栓(33)、四号螺母(34)与流量计(29)连接；连接管(28)通过五号螺栓(35)、五号螺母(36)与压力计(30)连接。
本发明实验装置的夹持装置(4)由长固定块(37)、短固定块(38)、六号螺栓(39)、六号螺母(40)组成。长固定块(37)通过六号螺栓(39)、六号螺母(40)与短固定块(38)连接。
本发明实验装置的同心杆系统(6)由七号螺栓(41)、七号螺母(42)、拉压传感器(43)、模拟外杆(44)、应变片(45)、细长杆(46)组成。将内部细长杆(46)插入模拟外杆(44)内部，顶端插入轴向载荷施加装置(2)，底部通过七号螺栓(41)、七号螺母(42)与底座(19)连接；模拟外杆(44) 的中间段由推杆对接块(56)、推杆(57)加持，底部插入外杆末端固定装置 (7)；应变片(45)用胶水贴在模拟外杆(44)管壁。
本发明实验装置的外杆末端固定装置(7)由夹紧块(47)、夹紧垫圈(48)、管端固定块(49)组成。夹紧垫圈(48)套在管端固定块(49)外；夹紧块 (47)套在夹紧垫圈(48)外。
本发明实验装置的横向扰动激励装置(10)由纵梁(50)、横梁(51)、立梁(52)、八号螺栓(53)、八号螺母(54)、第二液压缸(55)、推杆对接块(56)、推杆(57)、支撑板(58)组成。纵梁(50)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52) 采用焊接的方式与支撑板(58)连接；第二液压缸(55)通过八号螺栓(53)、八号螺母(54)与支撑板(58)连接；推杆对接块(56)通过焊接的方式与推杆(57)连接。
本发明有以下创新点：
1.该发明的实验装置于水箱内进行实验，最大程度模拟海洋作业环境对横向扰动激励下细长杆失稳特性的影响。
2.通过与进油管上部(27)连接的流量计(29)、压力计(30)测量进油的流速和压力，轴向载荷测试装置(3)测量细长杆前端轴向力大小的情况。
3.通过横向扰动激励装置(10)中第二液压缸(55)工作带动推杆(57)，推动外杆运动以模拟外杆在海洋中所受横向载荷，并用应变片(45)测量模拟外杆(44)受力。
4.外杆末端固定装置(7)中通过螺栓旋紧过程中对夹紧垫圈(48)产生横向夹紧力，向内压紧从而将模拟外杆(44)底端固定。
附图说明
图1是本发明的实验装置总体三维图；
图2是本发明的主框架三维图；
图3是本发明的轴向装置三维图；
图4是本发明的轴向端测试装置三维图；
图5是本发明的加持装置三维图；
图6是本发明的管中管系统三维图；
图7是本发明的管端固定装置三维图；
图8是本发明的扰动装置三维图；
图9是本发明的液压缸注入模型简化图；
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置由主框架(1)、轴向载荷施加装置(2)、轴向载荷测试装置(3)、夹持装置(4)、玻璃板(5)、同心杆系统(6)、外杆末端固定装置(7)、一号螺栓(8)、一号螺母(9)、横向扰动激励装置(10)、密封条(11)、上框架立梁(12)、上框架纵梁(13)、上框架横梁(14)、下框架横梁(15)、下框架纵梁(16)、内部横梁(17)、支撑梁(18)、底座(19)、下框架立梁(20)、支撑杆(21)、进油管(22)、平板(23)、第一液压缸(24)、二号螺栓(25)、二号螺母(26)、进油管上部(27)、连接管(28)、流量计(29)、压力计(30)、三号螺栓(31)、三号螺母(32)、四号螺栓(33)、四号螺母(34)、五号螺栓(35)、五号螺母(36)、长固定块(37)、短固定块(38)、六号螺栓(39)、六号螺母(40)、七号螺栓(41)、七号螺母(42)、拉压传感器(43)、模拟外杆(44)、应变片(45)、细长杆(46)、夹紧块(47)、夹紧垫圈(48)、管端固定块(49)、纵梁(50)、横梁(51)、立梁(52)、八号螺栓(53)、八号螺母(54)、第二液压缸(55)、推杆对接块(56)、推杆(57)、支撑板(58)组成。
结合图1，一种用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内实验装置由主框架(1)、轴向载荷施加装置(2)、轴向载荷测试装置(3)、夹持装置(4)、玻璃板(5)、同心杆系统(6)、外杆末端固定装置(7)、一号螺栓 (8)、一号螺母(9)、横向扰动激励装置(10)、密封条(11)组成。轴向载荷施加装置(2)通过焊接与主框架(1)连接，其作用是对细长杆顶端施加轴向力，使细长杆向前运动，通过液压系统可控制油管前进的速度，并测量细长杆的位移量；液压缸注入模型如图9所示，注入过程可用公式表达：
P1A＝P2(A1-A2)+F1 (1)
其中P1、P2分别表示液压缸进油腔和出油腔内压强，A、A1、A2分别表示推板左侧截面面积、推板右侧截面面积、推杆截面面积，F1表示推杆所受压力。简化模型，令P2＝0得到：
P1A＝F1 (2)
因此通过拉压传感器测得压力即为对细长杆注入力。轴向载荷测试装置 (3)通过内部螺纹与轴向载荷施加装置(2)连接，其作用是测量细长杆前端轴向力大小的情况；夹持装置(4)通过焊接与主框架(1)连接，其作用是加紧并固定外杆竖直；玻璃板(5)通过密封条(11)与主框架(1)连接，其作用是可在实验装置中注满水，模拟在海水阻尼作用下细长杆在外杆中的力学特性；外杆末端固定装置(7)通过一号螺栓(8)、一号螺母(9)与主框架(1)连接，其作用是固定并压紧外杆底端；横向扰动激励装置通过焊接与主框架(1)连接，其作用是向模拟外杆施加一水平方向的振动量，以模拟横向扰动激励下细长杆失稳特性。
结合图2，本发明实验装置的主框架(1)由上框架立梁(12)、上框架纵梁(13)、上框架横梁(14)、下框架横梁(15)、下框架纵梁(16)、内部横梁(17)、支撑梁(18)、底座(19)、下框架立梁(20)组成。上框架纵梁(13) 采用焊接的方式与上框架横梁(14)连接，上框架立梁(12)通过焊接的方式与下框架立梁(20)，上框架作用是安装轴向装置；下框架横梁(15)通过焊接的方式与下框架纵梁(16)连接，构成框架总体形状；支撑梁(18)通过焊接的方式与底座(19)连接，其作用是减小上框架横梁和内部横梁的弯矩，防止横梁弯曲变形；底座(19)通过焊接的方式与下框架横梁(15)连接，其作用是安装管端固定装置和管底压力传感器。
结合图3，本发明实验装置的轴向载荷施加装置(2)由支撑杆(21)、进油管(22)、平板(23)、第一液压缸(24)、二号螺栓(25)、二号螺母(26) 组成。进油管(22)插入液压缸内，起到液压作用；平板(23)通过焊接与支撑杆(21)连接，其作用是安装并固定液压缸；第一液压缸(24)通过二号螺栓(25)、二号螺母(26)与平板(23)连接。
结合图4，本发明实验装置的轴向载荷测试装置(3)由进油管上部(27)、连接管(28)、流量计(29)、压力计(30)、三号螺栓(31)、三号螺母(32)、四号螺栓(33)、四号螺母(34)、五号螺栓(35)、五号螺母(36)组成。进油管上部(27)通过内部螺纹与连接管(28)连接，其作用是进油液压；流量计(29)通过三号螺栓(31)、三号螺母(32)与连接管(28)连接，其作用是测量液压缸单位时间内轴向的流量；压力计(30)通过四号螺栓(33)、四号螺母(34)与流量计(29)连接，其作用是测量细长杆前端轴向力大小的情况；连接管(28)通过五号螺栓(35)、五号螺母(36)与压力计(30) 连接，其作用是使流量计和压力计与油管相连。
结合图5，本发明实验装置的夹持装置(4)由长固定块(37)、短固定块 (38)、六号螺栓(39)、六号螺母(40)组成。长固定块(37)通过六号螺栓(39)、六号螺母(40)与短固定块(38)连接，通过旋紧螺栓，可缩短两固定块距离，加紧外杆。
结合图6，本发明实验装置的同心杆系统(6)由七号螺栓(41)、七号螺母(42)、拉压传感器(43)、模拟外杆(44)、应变片(45)、细长杆(46) 组成。将内部细长杆(46)插入模拟外杆(44)内部，顶端插入轴向载荷施加装置(2)，用于测量管端受力，底部通过七号螺栓(41)、七号螺母(42) 与底座(19)连接；模拟外杆(44)的中间段由推杆对接块(56)、推杆(57) 加持，底部插入外杆末端固定装置(7)，其作用是紧固外杆、保证工作时不会晃动从而避免记录数据发生较大误差；应变片(45)用胶水贴在模拟外杆 (44)管壁，其作用是测量模拟外杆(44)外管的受力情况。
结合图7，本发明实验装置的外杆末端固定装置(7)由夹紧块(47)、夹紧垫圈(48)、管端固定块(49)组成。管端固定块的作用是固定垂直进入的模拟外杆及模拟细长杆的轴向方向，夹紧垫圈(48)套在管端固定块(49) 外，在夹紧块夹紧力作用下于管端固定块开口处发生形变而使管端固定装置内部紧密组合；夹紧块(47)套在夹紧垫圈(48)外，通过螺栓与主框架固定，并在螺栓旋紧过程中对夹紧垫圈产生横向夹紧力，向内压紧。
结合图8，本发明实验装置的横向扰动激励装置(10)由纵梁(50)、横梁(51)、立梁(52)、八号螺栓(53)、八号螺母(54)、第二液压缸(55)、推杆对接块(56)、推杆(57)、支撑板(58)组成。纵梁(50)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52)采用焊接的方式与支撑板(58)连接，构成扰动装置外部框架的形状；第二液压缸(55)通过八号螺栓(53)、八号螺母(54)与支撑板(58) 连接，其作用是对推杆(57)产生推动作用；推杆对接块(56)通过焊接的方式与推杆(57)连接，其作用是对于外杆进行约束与固定，便于推杆(57) 的推力更好的施加在外杆上进行受力模拟。
实验时，通过夹持装置(4)中的长固定块(37)、短固定块(38)对模拟外杆(44)顶端固定，调节六号螺栓(39)、六号螺母(40)控制对模拟外杆(44)的夹持松紧；通过外杆末端固定装置(7)将模拟外杆(44)底端固定，通过螺栓旋紧过程中对夹紧垫圈(48)产生横向夹紧力，向内压紧；通过模拟外杆(44)顶端和底端固定使其保持竖直。在水箱内注满水，模拟细长杆海洋作业环境。进油管上部(27)进油，通过轴向载荷施加装置(2)中的第一液压缸(24)对细长杆(46)施加轴向载荷，对细长杆(46)进行注入。通过与进油管上部(27)连接的流量计(29)、压力计(30)测量进油的流速和压力；通过调节进油管上部(27)进油速率，控制细长杆(46)注入速度。通过调节第一液压缸(24)的激振速度及幅值，对模拟外杆(44)产生不同的横向激励，从而使细长杆(46)受到横向扰动。应变片(45)贴在模拟外杆(44)管壁，测量模拟外杆(44)外管的受力情况。由于轴向载荷施加装置(2)对细长杆(46)施加轴向载荷，所以在细长杆(46)底端会产生轴向压力，通过外杆末端固定装置(7)中所安装的拉压传感器(43)测量底端产生的轴向压力。通过分析所记录的各个数据，可进一步分析得到横向扰动作用下受限空间内细长杆的失稳机制。
Claims (8)
1.用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：包括主框架(1)、轴向载荷施加装置(2)、轴向载荷测试装置(3)、夹持装置(4)、玻璃板(5)、同心杆系统(6)、外杆末端固定装置(7)、一号螺栓(8)、一号螺母(9)、横向扰动激励装置(10)、密封条(11)；轴向载荷施加装置(2)通过焊接与主框架(1)连接；轴向载荷测试装置(3)通过内部螺纹与轴向载荷施加装置(2)连接；夹持装置(4)通过焊接与主框架(1)连接；玻璃板(5)通过密封条(11)与主框架(1)连接；外杆末端固定装置(7)通过一号螺栓(8)、一号螺母(9)与主框架(1)连接；横向扰动激励装置通过焊接与主框架(1)连接。
2.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其主框架(1)由上框架立梁(12)、上框架纵梁(13)、上框架横梁(14)、下框架横梁(15)、下框架纵梁(16)、内部横梁(17)、支撑梁(18)、底座(19)、下框架立梁(20)组成；上框架纵梁(13)采用焊接的方式与上框架横梁(14)连接；上框架立梁(12)通过焊接的方式与下框架立梁(20)；下框架横梁(15)通过焊接的方式与下框架纵梁(16)连接；支撑梁(18)通过焊接的方式与底座(19)连接；底座(19)通过焊接的方式与下框架横梁(15)连接。
3.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其轴向载荷施加装置(2)由支撑杆(21)、进油管(22)、平板(23)、第一液压缸(24)、二号螺栓(25)、二号螺母(26)组成；进油管(22)插入液压缸内，起到液压作用；平板(23)通过焊接与支撑杆(21)连接；第一液压缸(24)通过二号螺栓(25)、二号螺母(26)与平板(23)连接。
4.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其轴向载荷测试装置(3)由进油管上部(27)、连接管(28)、流量计(29)、压力计(30)、三号螺栓(31)、三号螺母(32)、四号螺栓(33)、四号螺母(34)、五号螺栓(35)、五号螺母(36)组成；进油管上部(27)通过内部螺纹与连接管(28)连接；流量计(29)通过三号螺栓(31)、三号螺母(32)与连接管(28)连接；压力计(30)通过四号螺栓(33)、四号螺母(34)与流量计(29)连接；连接管(28)通过五号螺栓(35)、五号螺母(36)与压力计(30)连接。
5.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其夹持装置(4)由长固定块(37)、短固定块(38)、六号螺栓(39)、六号螺母(40)组成；长固定块(37)通过六号螺栓(39)、六号螺母(40)与短固定块(38)连接。
6.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其同心杆系统(6)由七号螺栓(41)、七号螺母(42)、拉压传感器(43)、模拟外杆(44)、应变片(45)、细长杆(46)组成；将内部细长杆(46)插入模拟外杆(44)内部，顶端插入轴向载荷施加装置(2)，底部通过七号螺栓(41)、七号螺母(42)与底座(19)连接；模拟外杆(44)的中间段由推杆对接块(56)、推杆(57)加持，底部插入外杆末端固定装置(7)；应变片(45)用胶水贴在模拟外杆(44)管壁。
7.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其外杆末端固定装置(7)由夹紧块(47)、夹紧垫圈(48)、管端固定块(49)组成；夹紧垫圈(48)套在管端固定块(49)外；夹紧块(47)套在夹紧垫圈(48)外。
8.如权利要求1所述的用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置，其特征在于：其横向扰动激励装置(10)由纵梁(50)、横梁(51)、立梁(52)、八号螺栓(53)、八号螺母(54)、第二液压缸(55)、推杆对接块(56)、推杆(57)、支撑板(58)组成；纵梁(50)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52)采用焊接的方式与横梁(51)连接；立梁(52)采用焊接的方式与支撑板(58)连接；第二液压缸(55)通过八号螺栓(53)、八号螺母(54)与支撑板(58)连接；推杆对接块(56)通过焊接的方式与推杆(57)连接。
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| CN201920242687.8U CN209858365U (zh) | 2019-02-26 | 2019-02-26 | 用于进行外载荷作用下管中管系统力学行为的室内装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109883628A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-06-14 | 北京工业大学 | 一种研究横向扰动激励下细长杆失稳特性的实验装置及测试方法 |
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2019
- 2019-02-26 CN CN201920242687.8U patent/CN209858365U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
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| CN109883628A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-06-14 | 北京工业大学 | 一种研究横向扰动激励下细长杆失稳特性的实验装置及测试方法 |
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