一种异形节点试样的力学性能测试装置

1.本发明属于材料力学性能测试领域，更具体地，涉及一种异形节点试样的力学性能测试装置。


背景技术：

2.随着关键装备大型化进程的不断推进，工业对于大型装备的复杂结构关键节点的机械性能特别是疲劳可靠性评估的需求越来越高。大型装备往往意味着一体化程度高、资源消耗大，因此大型装备的失效容易引起重大生命财产损失。大型复杂结构往往由焊接工艺加工而成，焊缝存在较大的疲劳失效可能性，而大型复杂结构的失效通常会给社会经济和生命安全带来巨大损失。
3.目前国内对于大型复杂结构的综合力学性能研究尚处于起步阶段，基本停留在材料级试样的测试与分析，但是材料级试样通常难以有效模拟大型装备关键节点的实际复杂结构与承受的复杂工况条件。特别是由于受目前测试方法所限，大型复杂结构试样的装夹与试验往往缺少参考，导致难以实施。
4.因此，基于目前疲劳性能研究的难点问题，为实现大型装备的异形结构关键节点在承受复杂载荷条件下的疲劳性能研究，需要对复杂结构在复杂载荷状态下的力学性能进行深入分析，其中的关键因素就是试样的牢固装夹与试验方法，开发适应性强、可靠性高、精度好的测试方法具有十分重要的意义，有助于避免由于试样装夹问题导致的不必要损失，并且可以进一步为大型装备的性能研究和疲劳设计提供支持，保障其安全、平稳服役。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种异形节点试样的力学性能测试装置，旨在解决现有的疲劳性能研究装置无法适用于大型复杂结构试样的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种异形节点试样的力学性能测试装置，该力学性能测试装置包括水平加载单元和垂直加载单元，其中：
7.所述水平加载单元包括水平放置的承载框架、水平加载油缸和水平承载法兰，所述水平加载油缸一端固定在承载框架上，其另一端与水平承载法兰连接，同时所述水平承载法兰用于与异形节点试样在水平方向连接，以对其施加水平方向的载荷；
8.所述垂直加载单元包括垂直放置的管道架、垂直加载油缸、垂直承载法兰和立管，所述管道架包括一根横梁以及固定在横梁两端的立柱，该管道架通过立柱与承载框架连接以对其进行固定；所述垂直加载油缸一端固定在横梁上，其另一端与垂直承载法兰连接；当所述异形节点试样具有垂直部分时，所述垂直承载法兰直接与该异形节点试样的垂直部分连接；当所述异形节点试样不具有垂直部分时，所述垂直承载法兰通过立管与异形节点试样连接，以对其施加垂直方向的载荷。
9.作为进一步优选地，所述垂直加载单元的载荷施加位置的确定方法为：通过有限元分析方法判定异形节点试样的疲劳危险部位，并将其作为垂直加载单元的载荷施加位
置。
10.作为进一步优选地，所述垂直加载单元的载荷波形的确定方法为：通过对实际波浪载荷的监测，分析波高、波浪周期以确定垂直加载单元的载荷波形。
11.作为进一步优选地，所述水平加载油缸的数量为两个，用于x撑型节点试样的力学性能测试。
12.作为进一步优选地，所述水平加载油缸的数量为四个，用于十字型节点试样的力学性能测试。
13.作为进一步优选地，所述水平承载法兰和垂直承载法兰与异形节点试样之间通过螺栓和定位销连接。
14.作为进一步优选地，所述横梁与立柱之间焊接有筋板，用于提高管道架的强度。
15.作为进一步优选地，所述异形节点试样为xyz型导管架或任意异形焊接结构。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
17.1.本发明根据大型复杂结构实际工况中所受载荷的形式，提出异形节点试样的力学性能测试装置，通过设置水平加载单元和垂直加载单元能够实现单轴水平方向、单轴垂直方向、单轴水平与垂直方向复合、双轴水平方向以及双轴水平与单轴垂直复合五种加载方式，并且利用法兰与异形节点试样连接，能够实现牢固、精准连接，避免在连接部位发生断裂，区别于材料级试样的研究，实现全尺寸级、结构级试样的综合性能测试，从而实现大型装备的异形节点试样在承受复杂载荷状态下的力学性能测试，在大试验力条件下获得可靠的综合性能数据，为性能评估以及疲劳设计提供有力支持；
18.2.尤其是，考虑到疲劳载荷是拉-压循环载荷，由于异形节点试样存在尺寸大、试验力大的特点，故该系统处于紧张状态，不合理的垂直载荷施加容易导致安全事故的发生，因此可以根据实际波浪与风力载荷的实际情况，对垂直载荷的施加位置和波形进行合理控制，从而保证装置的稳定性和安全性；
19.3.同时，本发明针对x撑型节点设计了两个水平加载油缸，能够保证单轴载荷施加的同轴度，进而保证试样安装的可靠性，并且针对十字型节点试样设计了四个水平加载油缸，能够保证双轴双压载荷的共面性、水平性施加，以此实现双轴水平方向加载。
附图说明
20.图1是本发明实施例提供的异形节点试样的力学性能测试装置的结构示意图；
21.图2是本发明另一实施例提供的异形节点试样的力学性能测试装置的结构示意图；
22.图3是本发明又一实施例提供的异形节点试样的力学性能测试装置的结构示意图。
23.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
24.1-管道架，2-水平加载油缸，3-承载框架，4-x撑型节点试样，5-水平承载法兰，6-垂直加载油缸，7-垂直承载法兰，8-立管，9-十字型节点试样。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.如图1-3所示，本发明提供了一种异形节点试样的力学性能测试装置，该力学性能测试装置包括水平加载单元和垂直加载单元，其中：
27.水平加载单元包括水平放置的承载框架3、水平加载油缸2和水平承载法兰5，水平加载油缸2一端固定在承载框架3上，其另一端与水平承载法兰5连接，同时水平承载法兰5用于与异形节点试样在水平方向连接，以对其施加水平方向的载荷；
28.垂直加载单元包括垂直放置的管道架1、垂直加载油缸6、垂直承载法兰7和立管8，管道架1采用高强度钢板焊接二乘，具有良好的强度和刚度，其包括一根横梁以及固定在横梁两端的立柱，横梁与立柱之间焊接有筋板，用于提高管道架1的强度，该管道架1通过立柱与承载框架3连接以对其进行固定，立柱底部焊接有法兰，用于利用螺栓及定位销与承载框架3精准、牢固连接；垂直加载油缸6一端固定在横梁上，其另一端与垂直承载法兰7连接；当异形节点试样具有垂直部分时，垂直承载法兰7直接与该异形节点试样的垂直部分连接；当异形节点试样不具有垂直部分时，垂直承载法兰7通过立管8与异形节点试样连接，以对其施加垂直方向的载荷。
29.进一步，疲劳载荷是拉-压循环载荷，由于异形节点试样尺寸大、试验力大，水平双轴拉-压载荷的施加过程中装置处于紧张状态，不合理的垂直载荷施加容易导致安全事故的发生，因此需要根据波浪与风力载荷的实际情况，对垂直载荷的施加位置和波形进行合理控制。垂直加载单元的载荷施加位置的确定方法为：通过有限元分析方法判定异形节点试样的疲劳危险部位，并将其作为垂直加载单元的载荷施加位置。垂直加载单元的载荷波形的确定方法为：通过对实际波浪载荷的监测，分析波高、波浪周期以确定垂直加载单元的载荷波形。
30.进一步，垂直载荷的施加通过管道架1实现，管道架1的安装位置根据异形节点试样的形貌与载荷类型可以灵活选择，因管道架1的安装位置灵活，便于不同异形节点试样的安装。管道架1的安装方向通常与载荷施加方向呈一定角度，在载荷施加可靠的基础上提高装置的刚度，保证安全性。管道架1的安装位置可以平行于任一水平加载方向，或者与水平加载方向呈任意角度夹角，优选呈45
°
夹角。
31.进一步，当异形节点试样为x撑型节点试样4时，水平加载油缸2的数量为两个，工作时两个水平承载法兰5与x撑型节点试样4的两端连接。当异形节点试样为十字型节点试样9时，水平加载油缸2的数量为四个，四个水平加载油缸2呈十字对称安装于承载框架303，工作时四个水平承载法兰5分别与十字型节点试样9的四个杆连接。各个水平加载油缸2可以独立开启或关闭，
32.进一步，水平承载法兰5和垂直承载法兰7与异形节点试样之间通过螺栓和定位销连接。其中利用水平承载法兰5或垂直承载法兰7与多组螺栓实现异形节点试样的牢固连接；利用定位销实现异形节点试样与力学性能测试装置相对位置的精准定位。
33.本发明提供的异形节点试样的力学性能测试装置扩展性好，能够满足不同试验力、不同结构和不同载荷施加方式条件下的拉伸、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，并且有利于大型装备的性能研究与疲劳设计，为大型结构的长期安全运行提供有力技术支撑。
34.进一步，异形节点试样为xyz型导管架或任意异形焊接结构。本方法利用上述异形节点试样的力学性能测试装置，具有结构简单、安全性能好、试验力大等优势，能够保证大型复杂构件在复杂载荷条件下拉伸、疲劳试验的顺利开展，为大型复杂构件在复合载荷条件下的疲劳性能研究提供基础，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，避免产生失效造成不必要的损失。
35.利用本发明提供的异形节点试样的力学性能测试装置进行力学性能具体包括如下步骤：
36.s1将异形节点试样分别与水平承载法兰5和垂直承载法兰7连接；
37.s2利用水平仪对异形节点试样与各加载方向的同轴度进行校正，保证良好的同轴度；
38.s3通过单独控制水平加载油缸2和垂直加载油缸6实现单轴水平方向、单轴垂直方向、单轴水平与垂直方向复合、双轴水平方向以及双轴水平与单轴垂直复合五种加载方式，能够准确模拟大型复杂构件的实际工况，进而完成异形节点试样的力学性能测试。
39.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，该力学性能测试装置包括水平加载单元和垂直加载单元，其中：所述水平加载单元包括水平放置的承载框架(3)、水平加载油缸(2)和水平承载法兰(5)，所述水平加载油缸(2)一端固定在承载框架(3)上，其另一端与水平承载法兰(5)连接，同时所述水平承载法兰(5)用于与异形节点试样在水平方向连接，以对其施加水平方向的载荷；所述垂直加载单元包括垂直放置的管道架(1)、垂直加载油缸(6)、垂直承载法兰(7)和立管(8)，所述管道架(1)包括一根横梁以及固定在横梁两端的立柱，该管道架(1)通过立柱与承载框架(3)连接以对其进行固定；所述垂直加载油缸(6)一端固定在横梁上，其另一端与垂直承载法兰(7)连接；当所述异形节点试样具有垂直部分时，所述垂直承载法兰(7)直接与该异形节点试样的垂直部分连接；当所述异形节点试样不具有垂直部分时，所述垂直承载法兰(7)通过立管(8)与异形节点试样连接，以对其施加垂直方向的载荷。2.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述垂直加载单元的载荷施加位置的确定方法为：通过有限元分析方法判定异形节点试样的疲劳危险部位，并将其作为垂直加载单元的载荷施加位置。3.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述垂直加载单元的载荷波形的确定方法为：通过对实际波浪载荷的监测，分析波高、波浪周期以确定垂直加载单元的载荷波形。4.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述水平加载油缸(2)的数量为两个，用于x撑型节点试样(4)的力学性能测试。5.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述水平加载油缸(2)的数量为四个，用于十字型节点试样(9)的力学性能测试。6.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述水平承载法兰(5)和垂直承载法兰(7)与异形节点试样之间通过螺栓和定位销连接。7.如权利要求1所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述横梁与立柱之间焊接有筋板，用于提高管道架(1)的强度。8.如权利要求1～7任一项所述的异形节点试样的力学性能测试装置，其特征在于，所述异形节点试样为xyz型导管架或任意异形焊接结构。

技术总结
本发明提供了一种异形节点试样的力学性能测试装置，属于材料力学性能测试领域，包括水平加载单元和垂直加载单元，其中：水平加载单元中水平加载油缸一端固定在承载框架上，其另一端与水平承载法兰连接，同时水平承载法兰用于与异形节点试样在水平方向连接；垂直加载单元中管道架管道架通过立柱与承载框架连接以对其进行固定；垂直加载油缸一端固定在横梁上，其另一端与垂直承载法兰连接；异形节点试样与垂直承载法兰直接连接或通过立管连接。本发明能够实现单轴水平方向、单轴垂直方向、单轴水平与垂直方向复合、双轴水平方向以及双轴水平与单轴垂直复合五种加载方式，并且，能够实现牢固、精准连接，实现全尺寸级、结构级试样的综合性能测试。的综合性能测试。的综合性能测试。


技术研发人员：徐连勇 田雷 赵雷 冯超 苏沫林 韩永典
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/9