本發(fā)明涉及一種新型的能夠?qū)Υ笮图?xì)長管纜狀試件實現(xiàn)拉伸、壓縮及彎曲組合加載的力學(xué)性能測試裝置，具體地說是一種新型的海洋柔順性管纜拉伸、壓縮及彎曲組合實驗裝置。

背景技術(shù)：

我國海洋油氣資源儲量豐富，且大多數(shù)分布于南海等深水海域。而海纜、臍帶纜以及柔性管道等是深海油氣開采中不可或缺的裝備之一。這類裝備可統(tǒng)稱為海洋柔順性管纜，其結(jié)構(gòu)通常由相應(yīng)的功能構(gòu)件及加強(qiáng)構(gòu)件如鎧裝鋼絲等組成。針對不同的工程需求，選用相應(yīng)功能的管纜；海纜主要負(fù)責(zé)為海底采油設(shè)備提供電能，臍帶纜連接于水上浮體與海底裝備之間，為海底管匯提供電力、信號傳輸?shù)葘崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，柔性管道主要負(fù)責(zé)裝備之間的油氣輸送。海洋柔性管纜在安裝或者在位工況時，通常會受到拉伸彎曲組合荷載。由于柔順性管纜自身為復(fù)雜的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，彎曲荷載下構(gòu)件間的相互摩擦行為將明顯受到拉力大小的影響，其管纜的力學(xué)行為將非常復(fù)雜。同時，由于風(fēng)浪流的作用，以及平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境下的往復(fù)運(yùn)動，連接于浮體的管纜將呈現(xiàn)反復(fù)彎曲的行為，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致疲勞破壞。疲勞直接關(guān)乎管纜的使用壽命，而且，管纜的使用壽命是各大生產(chǎn)廠家和設(shè)計機(jī)構(gòu)最關(guān)心的性能參數(shù)之一，因此，管纜疲勞問題的研究是管纜設(shè)計流程中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。此外，在位運(yùn)行的柔性管纜在觸地點處承受明顯的壓縮荷載，嚴(yán)重時容易發(fā)生鎧裝屈曲失效，給修復(fù)工作帶來了較大的困難。綜上所述，拉伸、壓縮和彎曲是海洋柔順性管纜承受的典型荷載。

針對上述問題，理論和數(shù)值方法往往難以準(zhǔn)確描述該組合荷載下管纜實際行為。因此，為了詳細(xì)研究管纜的上述力學(xué)行為，以及疲勞失效機(jī)理和失效后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，需要通過試驗方法來對海洋柔性管纜危險段進(jìn)行單獨荷載或者組合荷載模擬實驗。進(jìn)而通過實驗來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計，降低管纜使用過程中破壞的概率保證整個管纜使用壽命。柔性管纜的組合荷載測試是對管道應(yīng)用情況的重要考驗，由于國內(nèi)柔性管纜的研究尚處于起步狀態(tài)，無相關(guān)純彎曲及組合荷載下的實驗經(jīng)驗，亟需一套完備的實驗裝置對管纜進(jìn)行測試和驗證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種新型的海洋柔順性管纜拉伸、壓縮及彎曲組合實驗裝置。通過本發(fā)明可對管纜的力學(xué)行為特征和疲勞失效機(jī)理進(jìn)行研究，從而全面掌握動態(tài)立管纜的試驗關(guān)鍵技術(shù)，同時可對管纜的相關(guān)性能參數(shù)(剛度，強(qiáng)度和疲勞)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)實際工況，采用荷載等效的方法，對管纜在一定彎曲半徑范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)彎曲，以及拉伸和壓縮組合荷載。因此試驗設(shè)備需要包含拉伸、壓縮設(shè)備和施加彎矩使其發(fā)生往復(fù)周期彎曲變形的設(shè)備。除此之外，實驗過程需要配置測量設(shè)備，如應(yīng)變片或傳感器等以便提取管纜變形過程相關(guān)參數(shù)指標(biāo)(中間或直接物理量)。實驗流程通常按如下步驟：取樣、固定、布片、加載、測量和后處理模式展開。實驗開始前要制定相應(yīng)測試方案并對管纜樣品進(jìn)行選取，然后將待測試的管纜固定于試驗架上，根據(jù)實驗要求在測試位置進(jìn)行應(yīng)變片布置，并將其連接于數(shù)據(jù)采集設(shè)備。確保上述操作無誤后啟動加載設(shè)備，同時實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并形成完善的實驗報告。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種新型的海洋柔順性管纜拉伸、壓縮及彎曲組合實驗裝置，包括底座以及沿直線排列在所述底座上的可調(diào)固定小車和移動小車；

所述可調(diào)固定小車的下端通過齒形軌道與所述底座連接，所述齒形軌道的鋸齒延伸方向垂直于所述直線，所述可調(diào)固定小車的下端具有與所述齒形軌道相匹配的齒面，所述可調(diào)固定小車上設(shè)有兩個互相平行的第一支撐板和第一滑道，所述第一滑道位于兩個所述第一支撐板之間，所述第一滑道沿所述直線延伸，所述第一滑道上設(shè)有第一齒條，所述可調(diào)固定小車上還設(shè)有推動所述第一齒條沿所述第一滑道滑動的第一液壓缸，兩個所述第一支撐板的上端之間設(shè)有第一圓柱形彎曲裝置，所述第一圓柱形彎曲裝置的兩端分別具有第一連接法蘭面，所述第一圓柱形彎曲裝置的兩側(cè)側(cè)壁通過第一轉(zhuǎn)動軸與所述第一支撐板旋轉(zhuǎn)連接，所述第一圓柱形彎曲裝置的下側(cè)側(cè)壁固定有第一扇形齒輪，所述第一扇形齒輪的鋸齒與所述第一齒條的鋸齒嚙合；

所述移動小車的下端兩側(cè)分別設(shè)有多個輪，所述輪通過水平滑槽與所述底座滑動連接，所述水平滑槽的延伸方向與所述直線平行，所述移動小車上設(shè)有兩個互相平行的第二支撐板和第二滑道，所述第二滑道位于兩個所述第二支撐板之間，所述第二滑道沿所述直線延伸，所述第二滑道上設(shè)有第二齒條，所述移動小車上還設(shè)有推動所述第二齒條沿所述第二滑道滑動的第二液壓缸，兩個所述第二支撐板的上端之間設(shè)有第二圓柱形彎曲裝置，所述第二圓柱形彎曲裝置的兩端分別具有第二連接法蘭面，所述第二圓柱形彎曲裝置的兩側(cè)側(cè)壁通過第二轉(zhuǎn)動軸與所述第二支撐板旋轉(zhuǎn)連接，所述第二圓柱形彎曲裝置的下側(cè)側(cè)壁固定有第二扇形齒輪，所述第二扇形齒輪的鋸齒與所述第二齒條的鋸齒嚙合；

所述第一圓柱形彎曲裝置的軸線垂直于所述第一轉(zhuǎn)動軸的軸線；

所述第二圓柱形彎曲裝置的軸線垂直于所述第二轉(zhuǎn)動軸的軸線；

所述第一圓柱形彎曲裝置的軸線與所述第一轉(zhuǎn)動軸的軸線的交點和所述第二圓柱形彎曲裝置的軸線與所述第二轉(zhuǎn)動軸的軸線的交點位于同一水平面內(nèi)，即高度一致，使得相對的第一連接法蘭面和第二連接法蘭面分別與管纜的兩端連接后，管纜能處于水平；

所述底座上還設(shè)有推動所述移動小車沿所述水平滑槽滑動的第三液壓缸，所述第三液壓缸遠(yuǎn)離所述移動小車的一端通過固定墻與所述底座連接。

所述底座包括設(shè)有所述齒形軌道、所述水平滑槽、所述第三液壓缸和所述固定墻的上面板以及下面板，所述上面板和所述下面板之間設(shè)有桁架。

所述第一圓柱形彎曲裝置和所述第二圓柱形彎曲裝置的軸線位置均設(shè)有中心通孔，所述第一圓柱形彎曲裝置遠(yuǎn)離所述第二圓柱形彎曲裝置的一端設(shè)有第一法蘭，所述第二圓柱形彎曲裝置遠(yuǎn)離所述第一圓柱形彎曲裝置的一端設(shè)有第二法蘭

工作時，相對的第一連接法蘭面和第二連接法蘭面分別與管纜的兩端連接；

所述第三液壓缸帶動所述移動小車在所述水平滑槽上做水平運(yùn)動，進(jìn)而使管纜受到拉伸作用；所述第一液壓缸和所述第二液壓缸分別同時驅(qū)動所述第一扇形齒輪和所述第二扇形齒輪相向旋轉(zhuǎn)或向相反方向旋轉(zhuǎn)，從而使管纜受到彎曲作用，此時，管纜兩端豎直位移為零；

為適應(yīng)不同長度的管纜，所述可調(diào)固定小車通過所述齒形軌道實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)；所述可調(diào)固定小車的下端齒面與所述齒形軌道之間可以涂抹黃油，防止接觸面生銹；

進(jìn)行彎曲實驗時，使所述第一液壓缸和所述第二液壓缸同步施載，保證管纜受到純彎曲作用，可通過編程協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)；

所述第一滑道和所述第一齒條之間以及所述第二滑道和所述第二齒條之間可涂抹黃油，保證滑動順暢，實現(xiàn)力的有效傳遞，進(jìn)而減少實驗誤差。

使用該實驗裝置進(jìn)行測試方法如下：

1.根據(jù)待測管纜的長度，將可調(diào)固定小車固定在齒形軌道上的合適位置；

2.第一齒條與第一液壓缸連接，第二齒條與第二液壓缸連接連接，保證兩者在運(yùn)動時不能發(fā)生相對位移；

3.相對的第一連接法蘭面和第二連接法蘭面分別與管纜的兩端連接，保證管纜水平，且無預(yù)加載；

4.根據(jù)實驗要求，在管纜表面適當(dāng)位置粘貼應(yīng)變片?？捎媚z水將應(yīng)變片粘結(jié)于管纜內(nèi)部相應(yīng)構(gòu)件(鋼管、carcass層鋼絲)上，內(nèi)部排線通過第一圓柱形彎曲裝置和第二圓柱形彎曲裝置的中心通孔引出。同時用膠帶將連接于應(yīng)變片的排線一端固定于第一圓柱形彎曲裝置和所述第二圓柱形彎曲裝置，防止測試過程中由于排線晃動引起測試數(shù)據(jù)的波動，另一端連接于采集系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)實時傳輸；

5.將第一液壓缸和第二液壓缸連接于同一個控制器上，可通過控制器使第一液壓缸和第二液壓缸協(xié)調(diào)施載，使管纜受到預(yù)期彎曲作用；

6.整個實驗裝置搭建完成后，先對整個測試系統(tǒng)進(jìn)行初步的調(diào)試。通過各液壓缸驅(qū)動對管纜進(jìn)行小幅度加載，分析采集的應(yīng)變隨時間變化的曲線。待達(dá)到測試要求后，可分組開展實驗；

7.控制第一液壓缸和第二液壓缸，實現(xiàn)分布、同步等多種加載方式，通過三個液壓缸設(shè)置不同比例的拉伸、壓縮或彎曲組合加載；

8.當(dāng)進(jìn)行拉伸或壓縮實驗時，通過控制第三液壓缸，實現(xiàn)管攬的拉伸和壓縮實驗；當(dāng)進(jìn)行彎曲實驗時，通過控制第一液壓缸和第二液壓缸，實現(xiàn)管攬的反復(fù)彎曲實驗；當(dāng)進(jìn)行拉伸、壓縮及彎曲組合實驗時，通過控制三個液壓缸，實現(xiàn)管攬的組合實驗；

9.記錄第一液壓缸和第二液壓缸所施加的力，測量第一扇形齒輪和第二扇形齒輪半徑，可得施加于管纜上的彎矩；同時，記錄第三液壓缸所施加的水平拉力；

10.多次測試并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計及誤差分析，給出合理的測試結(jié)果并最終形成完整實驗報告。

本發(fā)明提出一種新型的使管纜受到拉伸、壓縮或者彎曲及組合荷載同時作用的實驗裝置，詳細(xì)實驗方法需根據(jù)實驗裝置及實驗條件進(jìn)行確定。

本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

1.本發(fā)明新穎實用，僅依靠液壓缸為動力來源，即可實現(xiàn)多種實驗方式。而且，能夠有效的控制各自荷載的施加。同時，可以根據(jù)工程和設(shè)計要求實現(xiàn)加載順序的任意變換。

2.對于不同長度管纜，可通過齒形軌道來實現(xiàn)可調(diào)固定小車的位置調(diào)節(jié)，本發(fā)明具有優(yōu)越的靈活性。

3.管纜彎曲過程中，管纜兩端受到相同彎矩作用，可實現(xiàn)純彎曲的實驗要求，且通過液壓缸施加于管纜試樣上的彎矩較為穩(wěn)定，方便后期數(shù)據(jù)記錄和處理。

4.本發(fā)明的底座使用桁架結(jié)構(gòu)和鋼板組成，承重大，且節(jié)省鋼材，在保證整體剛度和強(qiáng)度的前提下有效地減少整體結(jié)構(gòu)重量。具有可設(shè)計性、經(jīng)濟(jì)性等特點。

5.本發(fā)明適合多種長度的管纜，加載方式符合海洋柔順性管纜使用過程中的實際工況要求，能很好的反應(yīng)管纜實際受力行為情況。

6.本發(fā)明的三個液壓缸動力來源，記錄數(shù)據(jù)方便，且計算施加于管纜的彎矩計算公式簡單，容易計算和操作。

7.將第一圓柱形彎曲裝置左側(cè)使用第一法蘭密封，在第二圓柱形彎曲裝置右側(cè)施加內(nèi)壓測試裝置，可對管纜施加內(nèi)壓測試。

8.由于第一圓柱形彎曲裝置和第二圓柱形彎曲裝置的軸線位置均設(shè)有中心通孔，可將測試裝置通過中心通孔放入管纜內(nèi)，相比接觸式彎曲測試裝置，能夠環(huán)向無死角測量應(yīng)變，可以更準(zhǔn)確測試管纜性能。

9.管纜周圍空間較大，方便添加相應(yīng)儀器對管纜變形測量記錄?；谏鲜隼碛杀景l(fā)明可在實驗測試等領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的具體實施方式中一種新型的海洋柔順性管纜拉伸、壓縮及彎曲組合實驗裝置的空間結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的具體實施方式中第二圓柱形彎曲裝置、第二扇形齒輪和第二法蘭的裝配示意圖。

圖3是圖2的右視圖。

圖4是圖2的左視圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1-圖4所示，一種新型的海洋柔順性管纜31拉伸、壓縮及彎曲組合實驗裝置，包括底座1以及沿直線排列在所述底座1上的可調(diào)固定小車2和移動小車3；

所述可調(diào)固定小車2的下端通過齒形軌道4與所述底座1連接，所述齒形軌道4的鋸齒延伸方向垂直于所述直線，所述可調(diào)固定小車2的下端具有與所述齒形軌道4相匹配的齒面，所述可調(diào)固定小車2上設(shè)有兩個互相平行的第一支撐板5和第一滑道6，所述第一滑道6位于兩個所述第一支撐板5之間，所述第一滑道6沿所述直線延伸，所述第一滑道6上設(shè)有第一齒條7，所述可調(diào)固定小車2上還設(shè)有推動所述第一齒條7沿所述第一滑道6滑動的第一液壓缸8，兩個所述第一支撐板5的上端之間設(shè)有第一圓柱形彎曲裝置9，所述第一圓柱形彎曲裝置9的兩端分別具有第一連接法蘭面10，所述第一圓柱形彎曲裝置9的兩側(cè)側(cè)壁通過第一轉(zhuǎn)動軸11與所述第一支撐板5旋轉(zhuǎn)連接，所述第一圓柱形彎曲裝置9的下側(cè)側(cè)壁固定有第一扇形齒輪12，所述第一扇形齒輪12的鋸齒與所述第一齒條7的鋸齒嚙合；

所述移動小車3的下端兩側(cè)分別設(shè)有多個輪13，所述輪13通過水平滑槽14與所述底座1滑動連接，所述水平滑槽14的延伸方向與所述直線平行，所述移動小車3上設(shè)有兩個互相平行的第二支撐板15和第二滑道16，所述第二滑道16位于兩個所述第二支撐板15之間，所述第二滑道16沿所述直線延伸，所述第二滑道16上設(shè)有第二齒條17，所述移動小車3上還設(shè)有推動所述第二齒條17沿所述第二滑道16滑動的第二液壓缸18，兩個所述第二支撐板15的上端之間設(shè)有第二圓柱形彎曲裝置19，所述第二圓柱形彎曲裝置19的兩端分別具有第二連接法蘭面20，所述第二圓柱形彎曲裝置19的兩側(cè)側(cè)壁通過第二轉(zhuǎn)動軸21與所述第二支撐板15旋轉(zhuǎn)連接，所述第二圓柱形彎曲裝置19的下側(cè)側(cè)壁固定有第二扇形齒輪22，所述第二扇形齒輪22的鋸齒與所述第二齒條17的鋸齒嚙合；

所述第一圓柱形彎曲裝置9的軸線垂直于所述第一轉(zhuǎn)動軸11的軸線；

所述第二圓柱形彎曲裝置19的軸線垂直于所述第二轉(zhuǎn)動軸21的軸線；

所述第一圓柱形彎曲裝置9的軸線與所述第一轉(zhuǎn)動軸11的軸線的交點和所述第二圓柱形彎曲裝置19的軸線與所述第二轉(zhuǎn)動軸21的軸線的交點位于同一水平面內(nèi)；

所述底座1上還設(shè)有推動所述移動小車3沿所述水平滑槽14滑動的第三液壓缸23，所述第三液壓缸23遠(yuǎn)離所述移動小車3的一端通過固定墻24與所述底座1連接。

所述底座1包括設(shè)有所述齒形軌道4、所述水平滑槽14、所述第三液壓缸23和所述固定墻24的上面板25以及下面板26，所述上面板25和所述下面板26之間設(shè)有桁架27。

所述第一圓柱形彎曲裝置9和所述第二圓柱形彎曲裝置19的軸線位置均設(shè)有中心通孔28，所述第一圓柱形彎曲裝置9左側(cè)使用第一法蘭29密封，在所述第二圓柱形彎曲裝置19右側(cè)施加內(nèi)壓測試裝置，可對管纜31進(jìn)行內(nèi)壓測試，或所述第二圓柱形彎曲裝置19右側(cè)使用第二法蘭30密封，在所述第一圓柱形彎曲裝置9左側(cè)施加內(nèi)壓測試裝置，可對管纜31進(jìn)行內(nèi)壓測試。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。