一种用于结构试件三向载荷同步加载的疲劳试验装置

摘要

本发明涉及一种用于结构三向载荷同步加载的疲劳试验装置，包括基座支撑架，用以与地面固定连接，还包括有一套横向施力装置及横向夹持装置、一套纵向施力装置及纵向微调装置、一套周向施力装置及上下两套横向滚动组合装置，三个方向施力装置均均通过常用的单向疲劳作动器完成对试件试验力的施加；本发明能够同时对结构试件进行三向加载疲劳试验，更加真实地模拟压力容器典型焊接结构受压弯组合三向载荷作用的受力特征，其优点是：装置比较简单、实用、易于理解、易于实现；由于不同方向的载荷由不同的加载装置控制，所以可以完成各个方向载荷值互不干扰的三向加载，且只要加载设备允许，可以进行三向非比例加载疲劳试验。

说明书

技术领域

本发明涉及结构三向疲劳实验加载工装，具体说是一种用于结构三向载荷同步加载的疲劳试验装置，三个方向分别是横向弯曲、纵向压缩和周向压缩，属于实验设备、实验装备领域。

背景技术

焊接钢结构在航空航天、机械、电力、化工、高层建筑、海洋工程等大多工业领域应用广泛。结构中疲劳问题的重要性正在不断的增加，所以典型结构多向循环载荷作用下的疲劳试验技术具有重要的作用。

目前，国内外对单向疲劳作动器及其控制系统已经非常成熟，所以只要有一套合理的三向加载疲劳试验工装，通过使用常用的单向疲劳作动器即可完成复杂多向同步加载疲劳试验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提出一种用于结构试件三向载荷同时加载的疲劳试验装置，对焊接试件同时施加两向压力载荷和一向弯曲载荷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于结构试件三向载荷同时加载的疲劳试验装置，包括基座支撑架，用以与地面固定连接，其特征在于还包括有一套横向施力装置及横向夹持装置、一套纵向施力装置及纵向微调装置、一套周向施力装置及上下两套横向滚动组合装置，三个方向施力装置均均通过常用的单向疲劳作动器完成对试件试验力的施加；

所述的横向施力装置包括横向施力作动器和横向施力连接头，横向施力连接头一端与横向施力作动器连接，另一端用于与试件直接接触，其中与试件接触的一端为圆弧状，以达到对试件施加的横向试验力为线载荷；横向夹持装置包括有两对横向夹持轴承，横向夹持轴承固定于基座支撑架的横向特定夹板上，横向特定夹板由两组上下开有U型槽的钢板分别焊接于基座支撑架上的T型材面板上组成，两对横向夹持轴承从U型槽先后穿入，并用轴承两端的螺栓固定，所述的两对横向夹持轴承在横向试验力作用线两侧对称位置对试件进行夹持，以限制试件夹持点部位的横向位移，横向施力连接头对试件中点施加的试验力和横向夹持轴承在试件两端的限制位移形成试件的三点弯曲；

所述的纵向施力装置包括有纵向施力作动器和两个纵向施力连接头，其中一个纵向施力连接头的一端与纵向施力作动器连接，另一端与试件一端接触，另一个纵向施力连接头一端与纵向微调装置连接，另一端与试件另一端接触，其中试件的纵向两端部为外圆弧状，纵向施力连接头与试件的接触面为内圆弧状，以保证纵向施力连接头和试件为线接触，纵向施力作动器对试件施加试验力时，纵向微调装置的固定于地面端产生支反力，以完成对试件的纵向两端施加沿纵向中心线的试验压力；

所述的周向施力装置包括有周向施力作动器；所述的横向滚动组合装置，其包括有滚动装置基座、滚动装置连接块、滚动装置夹板和滚动装置滚轴，其中上方的横向滚动组合装置的滚动装置基座的上表面与周向施力作动器连接，下方的横向滚动组合装置的滚动装置基座的下表面与基座支撑架上表面连接，滚动装置连接块用于与试件直接接触，滚动装置滚轴固定在滚动装置基座与滚动装置连接块之间，以在一定范围内滚动，滚动装置夹板用于固定滚动装置连接块和滚动装置基座。

按上述方案，所述的基座支撑架还包含有基座支撑架横向微调装置，其由一个梯形块和两个楔形块组成，通过梯形块和梯形块两侧的两个楔形块的配合调整基座支撑架沿横向的位置，以达到纵向施力装置和周向施力装置与试件横向的对中。

按上述方案，所述的纵向微调装置包括有内夹板、外夹板、固定梯形块和可动梯形块，内夹板与纵向施力连接头连接，内外夹板通过螺栓进行连接且内外夹板之间存在一定空隙，固定梯形块和可动梯形块位于内外夹板之间，通过推动可动梯形块调整内夹板及与之连接的纵向施力连接头的位置，以完成试件的纵向对中调整。

按上述方案，所述的横向施力装置和纵向施力装置均为水平布置，且其中心线和试件的纵向中心线在同一个水平面上，横向施力装置的中心线与试件纵向中心线垂直，纵向施力装置的中心线与试件纵向中心线在同一直线上，即横向施力装置与纵向施力装置的中心线是相互垂直的；所述的周向施力装置垂直在试件的上方布置，周向施力装置的中心线垂直于试件纵向中心线，且相交于试件纵向中心线中点，即横向施力装置、纵向施力装置和周向施力装置是相互两两垂直布置的。

本发明的横向施力装置沿试件横向对试件纵向中点截面处施加压力，位于基座支撑架上的横向夹持装置在试件两端进行夹持，以限制夹持点的横向位移，与横向施力装置施加的压力形成试件沿横向的三点弯曲；纵向施力装置与试件纵向两端直接接触，沿着试件纵向施加试验压力，纵向微调装置通过控制与试件纵向端部接触的接触面位置来调整试件的纵向对中，达到横向施力装置和周向施力装置对试件的试验力作用在试件的纵向中间截面上；周向施力装置垂直布置，沿试件周向方向施加试验压力，横向滚动组合装置布置在周向施力装置与试件接触面之间，减小加载过程中试件变形时周向施力装置和试件之间的摩擦力；

本发明的基座支撑架，用于固定横向夹持装置和横向滚动组合装置，通过基座支撑架横向微调装置，调整基座支撑架的横向位置，达到纵向施力装置和周向施力装置对试件的试验力作用在试件的横向中间截面上；

由横向施力装置、纵向施力装置、周向施力装置和基座支撑架实现对焊接试件施加横向弯曲、纵向和周向压缩试验力的三向加载疲劳试验。

本发明的有益效果在于：本发明的结构试件三向加载疲劳试验工装，能够同时对结构试件进行三向加载疲劳试验，更加真实地模拟压力容器典型焊接结构受压弯组合三向载荷作用的受力特征，其优点是：装置比较简单、实用、易于理解、易于实现；由于不同方向的载荷由不同的加载装置控制，所以可以完成各个方向载荷值互不干扰的三向加载，且只要加载设备允许，可以进行三向非比例加载疲劳试验。

附图说明

图1本发明的工装示意主视图；

图2本发明的工装示意俯视图；

图3本发明的工装示意侧视图；

图4为本发明的基座支撑架装置主视图；

图5为本发明的基座支撑架装置侧视图；

图6为本发明的基座支撑架装置俯视图；

图7横向滚动组合装置主视图；

图8横向滚动组合装置侧视图；

图9横向滚动组合装置俯视图；

图10横向夹持轴承示意图；

图中：1、基座支撑架，2、横向施力作动器，3、横向夹持轴承，4、横向施力连接头。5、纵向施力作动器，6、纵向施力连接头，7、纵向微调装置，8、周向施力作动器，9、横向滚动组合装置，10、滚动装置基座，11、滚动装置连接块，12滚动装置夹板，13、滚动装置滚轴，14、基座支撑架横向微调装置，15、横向特定夹板，16、内夹板，17、外夹板，18、固定梯形块，19、可动梯形块。

具体实施方式

通过实施例并结合附图对本发明作进一步的描述。

从附图中可以看出，本发明是为结构试件三向疲劳实验加载工装，主要包括横向（沿试件厚度方向）、纵向（沿试件长度方向）和周向（沿试件宽度方向）三个方向的疲劳加载施力装置及其相应的辅助设备。

一种用于结构试件三向载荷同时加载的疲劳试验装置，包括基座支撑架1，用以与地面固定连接，还包括有一套横向施力装置及横向夹持装置、一套纵向施力装置及纵向微调装置7、一套周向施力装置及上下两套横向滚动组合装置9，三个方向施力装置均均通过常用的单向疲劳作动器完成对试件试验力的施加；

横向施力装置包括横向施力作动器2和横向施力连接头4，横向施力连接头4一端与横向施力作动器2连接，另一端用于与试件直接接触，其中与试件接触的一端为圆弧状，以达到对试件施加的横向试验力为线载荷，

横向夹持装置包括有两对横向夹持轴承3，横向夹持轴承3固定于基座支撑架1的横向特定夹板15上，横向特定夹板15由两组上下开有U型槽的钢板分别焊接于基座支撑架上的T型材面板上组成，两对横向夹持轴承从U型槽先后穿入，并用轴承两端的螺栓固定，两对横向夹持轴承在横向试验力作用线两侧对称位置对试件夹持，限制试件夹持点部位的横向位移，即限制方向与横向施加试验力方向一致，横向施力装置的横向施力连接头4对试件中点施加的单点试验力和横向夹持装置的横向夹持轴承在试件两端的限制位移形成试件的三点弯曲，从而模拟试件受横向弯曲载荷作用的情况；

如图2所示，有一套纵向施力装置和纵向微调装置7，纵向施力装置包括纵向施力作动器5和两个纵向施力连接头6，一个纵向施力连接头6一端与纵向施力作动器5连接，一端与试件纵向一端接触，另一个纵向施力连接头6一端与纵向微调装置7连接，一端与试件纵向另一端接触，其中试件纵向两端部为外圆弧状，纵向施力连接头6与试件的接触面为内圆弧状，以保证纵向施力连接头6和试件为线接触，纵向微调装置7一端与纵向施力连接头6连接，一端固定，纵向施力作动器5对试件施加试验力时，纵向微调装置7的固定端产生支反力，以完成对焊接试件纵向两端施加沿纵向中心线的试验压力，

纵向微调装置7包括内夹板16、外夹板17、固定梯形块18和可动梯形块19，外夹板17与固定装置连接用于固定整套纵向微调装置，内夹板16与纵向施力连接头6连接，内外夹板通过螺栓进行连接且内外夹板之间存在一定空隙，固定梯形块18和可动梯形块19位于内外夹板之间，通过推动可动梯形块19调整内夹板16及与之连接的纵向施力连接头6的位置，以完成试件的纵向对中调整；

如图3所示，有一套周向施力装置和上下两套横向滚动组合装置，周向施力装置主要为周向施力作动器8，垂向布置，对试件施加周向的试验力，上下两套横向滚动组合装置9形式相同，均包括滚动装置基座10、滚动装置连接块11、滚动装置夹板12和滚动装置滚轴13，上方的横向滚动组合装置的滚动装置基座10的上表面与周向施力作动器8连接，下方的横向滚动组合装置的滚动装置基座10的下表面与基座支撑架1上表面连接，滚动装置连接块11与试件直接接触，滚动装置滚轴13固定在滚动装置基座10与滚动装置连接块11之间，可以在一定范围内滚动，滚动装置夹板12用于固定滚动装置连接块11和滚动装置基座10，所以横向滚动组合装置9用于周向施力作动器8与试件之间，以减小加载过程中试件变形时周向施力装置和试件之间对试验产生影响的摩擦力；

有一个基座支撑架1，与地连接，用于固定横向夹持轴承3和一个横向滚动组合装置9，且包含基座支撑架横向微调装置14，其由一个梯形块和两个楔形块组成，通过梯形块和梯形块两侧的两个楔形块的配合调整基座支撑架沿横向的位置，以达到纵向施力装置和周向施力装置与试件横向的对中。通过设计的横向施力装置、纵向施力装置、周向施力装置、基座支撑架以及相应的设备即可实现对焊接试件的横向弯曲、纵向压力和周向压力的三向加载疲劳试验。

横向施力装置和纵向施力装置均为水平布置，且其中心线和试件的纵向中心线在同一个水平面上，横向施力装置的中心线与试件纵向中心线垂直，纵向施力装置的中心线与试件纵向中心线在同一直线上，即横向施力装置与纵向施力装置的中心线是相互垂直的；所述的周向施力装置垂直在试件的上方布置，周向施力装置的中心线垂直于试件纵向中心线，且相交于试件纵向中心线中点，即横向施力装置、纵向施力装置和周向施力装置是相互两两垂直布置的。

本发明在进行装配时，将基座支撑架1通过螺栓初步与地连接（装配完成之后再进行整体微调），用于固定其他装置，将横向夹持轴承3固定基座支撑架1的横向特定夹板15上，试件固定在夹持轴承之间，限制试件端部的横向位移，将一套横向滚动组合装置9固定在基座支撑架1上表面，滚动装置连接块11在试件的纵向中点沿垂直方向支撑试件，如工装示意图所示；布置试件时应保证试件的纵向中心线中点在基座支撑架1的中心线上，另外，由于基座支撑架1和横向夹持轴承3的尺寸为确定值，所以完成横向夹持装置3和试件在基座支撑架1上的固定以及基座支撑架1与地的连接固定之后，即可根据基座支撑架中心线和试件纵向中心线为基线进行横向施力装置和纵向施力装置的定位，两中心线互为垂直；将横向施力连接头4与横向施力作动器2连接，以基座支撑架1的中心线（试件纵向中点所在的线）为基线定位横向施力装置，保证横向施力装置（包括横向施力作动器2和横向施力连接头2）水平布置，中心线与基座支撑架1的中心线在在同一直线上，横向施力连接头4与试件纵向中点截面线接触，固定横向施力装置，用于施加试件横向的试验力；将一个纵向施力连接头6与纵向施力作动器5连接，另一个与微调装置7中的内夹板16连接，以试件纵向中心线为基线定位纵向施力装置，保证纵向施力装置（包括纵向施力作动器5和纵向施力连接头6）和纵向微调装置7水平布置，中心线与试件中心线在在同一直线上，纵向施力连接头6分别与试件纵向两端接触，固定纵向施力装置和纵向微调装置7，用于对试件施加纵向的试验力；将另外一套横向滚动组合装置9与周向施力作动器8连接，周向作动器8与横向滚动组合装置9垂直布置，两条中心线在同一条直线上，中心线过横向施力装置的中心线和纵向施力装置的中心线的交点，   

固定周向施力装置和横向滚动组合装置，与基座支撑架上的横向滚动装置共同作用对试件施加周向的试验力。各向施力装置布置完成之后，通过调节纵向微调装置7和基座支撑架横向微调装置14进行微调，消除装配过程中产生的装配误差，且对于不同厚度的试件也可以在不改变其他装置布置的情况下通过调节基座支撑架横向微调装置14来达到试验要求进行试验。

本发明使用方法如下：

按照以上实施方案，首先将基座支撑架固定，然后分别安装横向（沿试件厚度方向）、纵向（沿试件长度方向）和周向（沿试件宽度方向）三个方向的疲劳加载施力装置及其相应的辅助设备，整个疲劳试验装置微调定位完成后，安装试件并对试件三个方向的对中定位调节，调整三个方向的施力作动器，使与试件接触，检查无误后进行三向预加载，如预加载情况良好即可进行三向加载疲劳试验。