本發(fā)明屬于管道設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，具體地，涉及一種單向驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

管道斷裂實(shí)驗(yàn)在確定管道斷裂特性方面有重要的應(yīng)用，現(xiàn)階段的管道斷裂實(shí)驗(yàn)可分為小型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、大型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。小型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)包括：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、緊湊拉伸試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)等，小型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)采用小試件研究斷裂特性，管材試件與實(shí)際管道存在尺寸誤差、約束誤差等，影響對(duì)管道斷裂特性的判斷認(rèn)識(shí)；大型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)如寬板試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)的加載能力要求極高，所需成本較高；實(shí)際的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)如全尺寸爆破試驗(yàn)，全尺寸爆破試驗(yàn)耗費(fèi)極大的人力、物力，且實(shí)驗(yàn)過程有極大的危險(xiǎn)性。為解決上述問題，亟需設(shè)計(jì)一種專用的在管道上進(jìn)行管道斷裂實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種直接在管段上進(jìn)行斷裂模擬實(shí)驗(yàn)的裝置和實(shí)驗(yàn)方法，運(yùn)用該裝置可以實(shí)現(xiàn)在管段上安全的進(jìn)行斷裂實(shí)驗(yàn)，并且可以實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋擴(kuò)展情況，以解決常規(guī)管道斷裂實(shí)驗(yàn)試件制備困難、誤差較大、成本過高、危險(xiǎn)性較大等難題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：

單向驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括：管道支撐系統(tǒng)、管道擴(kuò)撐系統(tǒng)、dic測(cè)試系統(tǒng)；管道支撐系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)管段的兩端進(jìn)行支撐；管道擴(kuò)撐系統(tǒng)的內(nèi)端面與實(shí)驗(yàn)管段的軸向中面重合；管道擴(kuò)撐系統(tǒng)由拉桿或者絲杠驅(qū)動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)管段進(jìn)行擴(kuò)撐，引起實(shí)驗(yàn)管段斷裂；dic測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)管段的斷裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、實(shí)驗(yàn)試樣采用全尺寸管道試樣，直接從管道上截取，減小尺寸誤差、約束誤差等，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2、實(shí)驗(yàn)采用液壓缸或者電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，減少成本。

3、實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制拉桿和絲杠的運(yùn)動(dòng)速度，可以控制扇形塊的張開速度，同時(shí)控制裂紋的擴(kuò)展速度，保證所得數(shù)據(jù)的精確性。

4、扇形塊擁有足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)度，擴(kuò)展過程中與管壁均勻接觸，保證實(shí)驗(yàn)過程裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。

5、運(yùn)用dic測(cè)試裝置實(shí)時(shí)觀測(cè)裂紋擴(kuò)展情況，方便獲取所需數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1是單向液壓驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置正視示意圖。

圖2是單向液壓驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)過程中正視示意圖。

圖3是圖1的徑向半剖示意圖。

圖4是圖2的徑向半剖示意圖。

圖5是圖3的a-a向的剖視示意圖。

圖6是圖3的b-b向的剖視示意圖。

圖7是圖4的c-c向的剖視示意圖。

圖8是與圖1運(yùn)動(dòng)反向相反的單向液壓驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置的徑向半剖示意圖。

圖9是單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置正視示意圖。

圖10是單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)過程中正視示意圖。

圖11是圖9的徑向半剖示意圖。

圖12是圖10的徑向半剖示意圖。

圖13是與圖9運(yùn)動(dòng)方向相反的單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置的徑向半剖示意圖。

圖中：1、錐形塊，2a、第一固定螺母，2b、第二固定螺母，3、拉桿，4、實(shí)驗(yàn)管段，5、凹槽，6a、左上橡膠圈，6b、右上橡膠圈，7、扇形塊，8、彈性卡圈，9、橡膠卡圈，10、預(yù)制裂紋，11a、左上金屬圈，11b、右上金屬圈，12、光源，13、圖像采集器，14、計(jì)算機(jī)，15、dic(數(shù)字圖像相關(guān)方法)測(cè)試系統(tǒng)，16管道擴(kuò)撐系統(tǒng)，17、管道支撐系統(tǒng)，18a、左上卡圈，18b、右上卡圈，19a、左下卡圈，19b、右下卡圈，20a、左下金屬圈，20b、右下金屬圈，21a、左下橡膠圈，21b、右下橡膠圈，22、電動(dòng)機(jī)，23、絲杠。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

如圖1至圖7所示，單向液壓驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括：管道支撐系統(tǒng)17、管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16、拉桿3、dic測(cè)試系統(tǒng)15；實(shí)驗(yàn)管段4的側(cè)壁開設(shè)有軸向穿透預(yù)制裂紋10，預(yù)制裂紋10關(guān)于實(shí)驗(yàn)管段4的軸向中面對(duì)稱；管道支撐系統(tǒng)17對(duì)實(shí)驗(yàn)管段4的兩端進(jìn)行支撐；管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16的內(nèi)端面與實(shí)驗(yàn)管段4的軸向中面重合；管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16由拉桿3牽引對(duì)實(shí)驗(yàn)管段4的側(cè)壁進(jìn)行擴(kuò)撐，引起實(shí)驗(yàn)管段4斷裂；dic測(cè)試系統(tǒng)15對(duì)實(shí)驗(yàn)管段4的斷裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

管道支撐系統(tǒng)17，包括：左上卡圈18a、左下卡圈19a、右上卡圈18b、右下卡圈19b、橡膠卡圈9；左上卡圈18a、左下卡圈19a位于實(shí)驗(yàn)管段4的左端，左上卡圈18a由內(nèi)向外依次包括左上橡膠圈6a、左上金屬圈11a，左下卡圈19a由內(nèi)向外依次包括左下橡膠圈21a、左下金屬圈20a；左上卡圈18a、左下卡圈19a通過螺栓將實(shí)驗(yàn)管段4的左端固定；右上卡圈18b、右下卡圈19b位于實(shí)驗(yàn)管段4的右端，右上卡圈18b由內(nèi)向外依次包括右上橡膠圈6b、右上金屬圈11b，右下卡圈19b由內(nèi)向外依次包括右下橡膠圈21b、右下金屬圈20b，右上卡圈18b、右下卡圈19b通過螺栓將實(shí)驗(yàn)管段4的右端固定；左上卡圈18a、左下卡圈19a與右上卡圈18b、右下卡圈19b相對(duì)于實(shí)驗(yàn)管段4徑向中面完全對(duì)稱。

橡膠卡圈9通過螺釘固定于實(shí)驗(yàn)管段4的右端內(nèi)壁上。

管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16，包括：八塊扇形塊7、彈性卡圈8、錐形塊1；八塊扇形塊7組合形成內(nèi)壁為錐形通孔的圓柱體，圓柱體的側(cè)壁開設(shè)設(shè)三圈凹槽5，三圈凹槽5沿圓柱體的軸向均勻分布；凹槽5內(nèi)設(shè)彈性卡圈8，彈性卡圈8將扇形塊7互相連接；圓柱體的外壁與實(shí)驗(yàn)管段4的內(nèi)壁緊密接觸；錐形通孔朝內(nèi)的一端直徑大、朝外的一端直徑??；錐形塊1沿中軸線穿過錐形通孔，錐形塊1的長(zhǎng)度小于錐形通孔的長(zhǎng)度；錐形塊1為圓臺(tái)，內(nèi)端面為大口徑端；錐形塊1與錐形通孔形狀相互配合；拉桿3沿中軸線穿過錐形塊1，拉桿3內(nèi)端通過第一固定螺母2a固定于錐形塊1上，拉桿3外端與液壓裝置相連，由液壓裝置牽引使管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16運(yùn)動(dòng)。

dic(數(shù)字圖像相關(guān)方法)測(cè)試系統(tǒng)15，包括：計(jì)算機(jī)14、光源12、圖像采集器13；光源12對(duì)稱放置在實(shí)驗(yàn)管段4預(yù)制裂紋10的上下兩側(cè)，圖像采集器13安置在預(yù)制裂紋10正前側(cè)，圖像采集器13完全錄制裂紋的擴(kuò)展過程，圖像采集器13與計(jì)算機(jī)14相連，圖像采集器13采集的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)14中進(jìn)行分析計(jì)算。

管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，如圖1至圖7所示，采用上述單向液壓驅(qū)動(dòng)式管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，包括下述步驟：

1、將拉桿3通過中軸線與錐形塊1的大徑面以第一固定螺母2a固定，外端連接液壓驅(qū)動(dòng)裝置。完成管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16和動(dòng)力裝置的組裝。

2、將含有預(yù)制裂紋10的實(shí)驗(yàn)管段4套進(jìn)管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16，調(diào)整管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16的最左端面與實(shí)驗(yàn)管段4的軸向?qū)ΨQ面重合；然后將實(shí)驗(yàn)管段4放置在左下卡圈19a、右下卡圈19b上，實(shí)驗(yàn)管段4的左右兩端與分別與左下卡圈19a的左端、右下卡圈19b右端對(duì)齊；將左上卡圈18a、右上卡圈18b分別對(duì)齊左下卡圈19a、右下卡圈19b放置在實(shí)驗(yàn)管段4上，同時(shí)用螺栓固定；最后在實(shí)驗(yàn)管段4內(nèi)壁的最右端安裝一圈橡膠卡圈9，并用螺釘固定在實(shí)驗(yàn)管段4上；

3、將光源12對(duì)稱放置在實(shí)驗(yàn)管段4預(yù)制裂紋10的上下兩側(cè)，保證光源12的照射范圍能夠覆蓋預(yù)制裂紋10，然后將圖像采集器13安置在預(yù)制裂紋10的正前側(cè)，使圖像采集器13可以完全錄制裂紋的擴(kuò)展過程，圖像采集器13與計(jì)算機(jī)14相連，完成dic測(cè)試系統(tǒng)21的安裝；

4、實(shí)驗(yàn)過程中，液壓裝置提供動(dòng)力，控制拉桿3向右沿軸向緩慢運(yùn)動(dòng)，拉桿3通過第一固定螺母2a帶動(dòng)錐形塊1向右沿軸向緩慢運(yùn)動(dòng)，同時(shí)扇形塊7因?yàn)殄F形塊1的擠壓沿徑向向外緩慢擴(kuò)展，預(yù)制裂紋11因?yàn)樯刃螇K7的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)也開始緩慢擴(kuò)展，彈性卡圈8隨之伸長(zhǎng)，仍將八塊扇形塊7連接在一起；拉桿3的運(yùn)動(dòng)速度，可控制預(yù)制裂紋10的擴(kuò)展速度；圖像采集器13記錄裂紋擴(kuò)展全過程并傳輸?shù)较噙B的計(jì)算機(jī)14中；計(jì)算機(jī)14進(jìn)行相應(yīng)的后處理。

實(shí)施例二

如圖8所示，實(shí)施例二與實(shí)施例一的不同之處在于：八塊扇形塊7組合形成內(nèi)壁為錐形通孔的圓柱體，錐形通孔朝內(nèi)的一端直徑小、朝外的一端直徑大；錐形塊1沿中軸線穿過錐形通孔，錐形塊1的長(zhǎng)度小于錐形通孔的長(zhǎng)度；錐形塊1為圓臺(tái)，內(nèi)端面為小口徑端；錐形塊1與錐形通孔形狀相互配合；拉桿3沿中軸線穿過錐形塊1，拉桿3通過第一固定螺母2a、第二固定螺母2b固定于錐形塊1上，拉桿3外端與液壓裝置相連，由液壓裝置牽引使管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16運(yùn)動(dòng)；橡膠卡圈9安裝在管道擴(kuò)撐系統(tǒng)16的左端，通過螺釘固定于實(shí)驗(yàn)管段4的內(nèi)壁上。

管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，采用上述實(shí)驗(yàn)裝置，與實(shí)施例一的不同之處在于：實(shí)驗(yàn)過程中，液壓裝置提供動(dòng)力，控制拉桿3向左沿軸向緩慢運(yùn)動(dòng)，拉桿3通過第一固定螺母2a、第二固定螺母2b帶動(dòng)錐形塊1向左沿軸向緩慢運(yùn)動(dòng)，同時(shí)扇形塊7因?yàn)殄F形塊1的擠壓沿徑向向外緩慢擴(kuò)展，預(yù)制裂紋11因?yàn)樯刃螇K7的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)也開始緩慢擴(kuò)展，彈性卡圈8隨之伸長(zhǎng)，仍將八塊扇形塊7連接在一起；拉桿3的運(yùn)動(dòng)速度，可控制預(yù)制裂紋10的擴(kuò)展速度；圖像采集器13記錄裂紋擴(kuò)展全過程并傳輸?shù)较噙B的計(jì)算機(jī)14中；計(jì)算機(jī)14進(jìn)行相應(yīng)的后處理。

實(shí)施例三

如圖9至圖12所示，單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)施例二的不同之處在于，采用絲杠23替代拉桿3，采用電動(dòng)機(jī)22作為動(dòng)力裝置；絲杠23與錐形塊1依靠螺紋連接。

管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，如圖11至圖12所示，采用上述單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)式半裂紋管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，與實(shí)施例二的不同之處在于：實(shí)驗(yàn)過程中，電動(dòng)機(jī)22提供動(dòng)力，控制絲杠23繞軸向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后絲杠23將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成錐形塊1的繞軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸向向左的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)扇形塊7因?yàn)殄F形塊1的擠壓沿徑向向外緩慢擴(kuò)展，預(yù)制裂紋10因?yàn)樯刃螇K7的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)也開始緩慢擴(kuò)展，彈性卡圈8隨之伸長(zhǎng)，仍將八塊扇形塊7連接在一起。通過控制絲杠23的運(yùn)動(dòng)速度，可控制預(yù)制裂紋10的擴(kuò)展速度。圖像采集器13記錄裂紋擴(kuò)展全過程并傳輸?shù)较噙B的計(jì)算機(jī)14中。計(jì)算機(jī)14進(jìn)行相應(yīng)的后處理。

實(shí)施例四

如圖13所示，實(shí)施例四與實(shí)施例二的不同之處在于，采用絲杠23替代拉桿3，采用電動(dòng)機(jī)22作為動(dòng)力裝置；絲杠23與錐形塊1依靠螺紋連接。

管道斷裂模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，如圖13所示，采用上述實(shí)驗(yàn)裝置，與實(shí)施例一的不同之處在于：實(shí)驗(yàn)過程中，電動(dòng)機(jī)22提供動(dòng)力，控制絲杠23繞軸向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后絲杠23將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成錐形塊1的繞軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸向向右的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)扇形塊7因?yàn)殄F形塊1的擠壓沿徑向向外緩慢擴(kuò)展，預(yù)制裂紋10因?yàn)樯刃螇K7的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)也開始緩慢擴(kuò)展，彈性卡圈8隨之伸長(zhǎng)，仍將八塊扇形塊7連接在一起。通過控制絲杠23的運(yùn)動(dòng)速度，可控制預(yù)制裂紋10的擴(kuò)展速度；圖像采集器13記錄裂紋擴(kuò)展全過程并傳輸?shù)较噙B的計(jì)算機(jī)14中；計(jì)算機(jī)14進(jìn)行相應(yīng)的后處理。