一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置

摘要

本发明公开了一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置，包括两个圆筒支撑架、位于圆筒支撑架上的圆筒、作动器和使作动器的输出方向与圆筒同轴的辅助台，圆筒的一端设有多个凹槽Ⅰ，圆筒的另一端设有与凹槽Ⅰ相对应的凹槽Ⅱ，凹槽Ⅰ和凹槽Ⅱ均平行于圆筒的轴线，研究装置还包括星型架Ⅰ和星型架Ⅱ。本发明的钢丝夹紧滑块可以根据不同圆筒直径锁定在合适的位置处，且钢丝孔适合锁定各种截面形状(圆形或矩形)的钢丝；圆筒两端设置了凹槽，保证了钢丝夹紧滑块的滑动空间，从而使整根螺旋钢丝在未加载阶段均与圆筒相切，确保了实验的准确性；通过作动器推动，星型架Ⅱ可沿凹槽Ⅱ和轴滑动，可保证在凹槽Ⅱ长度范围内螺旋钢丝发生径向屈曲。

说明书

技术领域

本发明涉及实验研究装置，具体地说是一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置。

背景技术

螺旋缠绕结构广泛地应用于工业界，如海洋工程中的海缆、脐带缆以及柔性管道等，以及土木工程中的钢丝绳和钢绞线。海缆主要负责为海底采油设备提供电能，脐带缆主要提供水上浮体与海底装备之间电力、信号传输等相关功能，柔性管道主要负责装备之间的油气输送。钢丝绳作为牵引装备主要应用于起重机，钢绞线在土工工程中通常用作锚钉。上述结构的共同特征为外层均有提升拉伸抗力的螺旋缠绕钢丝铠装，该形式能够保证拉伸能力的同时提高结构的柔顺性。但是，特殊情况下，螺旋缠绕铠装层受到轴向压缩荷载的作用，钢丝此时容易发生两种形式的屈曲行为：径向屈曲与侧向屈曲。径向屈曲指铠装钢丝沿径向突出，形状类似“鸟笼”，故又称作“鸟笼现象”；侧向屈曲指铠装钢丝沿圆柱表面侧向发生偏移滑动扭曲变形。目前针对这两种形式的屈曲主要通过理论、数值及实验三种方法进行研究。相比于其余两种研究方法，实验研究得到的结果更具有实际指导意义。为了能全面地对螺旋缠绕钢丝的屈曲失效模式进行深入研究，有必要对单根及多根螺旋缠绕钢丝的屈曲机理进行实验研究，本专利主要针对径向屈曲失效进行实验装置的设计。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置。不论是海洋工程柔性管缆，还是土木工程中的钢丝绳，其结构形式和几何尺寸有着明显的不同。考虑到本发明装置主要用于实验对象为螺旋缠绕钢丝，因此，将钢丝缠绕内部构件等效为圆柱内核。实际工程中管缆、钢丝绳或钢绞线通常某一段受到压缩荷载，因此，实验装置能够模拟实现某一特定长度螺旋缠绕钢丝在内部圆柱径向约束下的轴向压缩行为。同时，实验装置能够考虑不同直径、不同螺旋缠绕角度以及不同长度的应用工况，上述因素对螺旋缠绕钢丝的屈曲机理有着显著影响。而且，根据文献调研，目前尚未发现系统的对螺旋钢丝径向屈曲机理进行研究的实验装置。根据上述研究目标，所设计径向屈曲机理实验装置应包括施压驱动装置及保证钢丝不沿圆柱内核中心运动的约束装置。除此以外，实验过程需要配置测量设备，如应变片及压力传感器等以便提取钢丝变形过程相关参数及螺旋钢丝的反作用力。径向屈曲实验流程通常遵照如下步骤：取样、固定、布片、加载、测量和后处理模式展开。实验开始前要制定相应测试方案并对螺旋钢丝进行选取，然后将待测试的螺旋钢丝固定于圆筒(作用类似于圆柱内核)的两端，并绘制钢丝位置线，用于和实验后钢丝位置进行对比。根据实验要求在测试位置进行应变片与压力传感器的布置，并将其连接于数据采集设备。确保上述操作无误后启动加载设备，同时实时采集相关数据。最后，对所得数据进行分析处理并形成完善的实验报告。本发明采用的技术手段如下：

一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置，其特征在于，包括两个圆筒支撑架、位于所述圆筒支撑架上的圆筒、作动器和使所述作动器的输出方向与所述圆筒同轴的辅助台，

所述圆筒的一端设有多个以所述圆筒的轴线为轴均匀分布的凹槽Ⅰ，所述圆筒的另一端设有与所述凹槽Ⅰ相对应的凹槽Ⅱ，所述凹槽Ⅰ和所述凹槽Ⅱ均平行于所述圆筒的轴线，

所述研究装置还包括星型架Ⅰ和星型架Ⅱ，

所述星型架Ⅰ的支杆与所述凹槽Ⅰ相匹配且通过所述凹槽Ⅰ与所述圆筒固定连接，所述星型架Ⅰ的中心与一轴固定连接，所述轴通过所述星型架Ⅰ与所述圆筒固定连接，所述星型架Ⅰ的支杆设有钢丝夹紧滑块Ⅰ，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ具有与所述星型架Ⅰ的支杆滑动连接的连接孔Ⅰ，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ上设有螺栓Ⅰ，所述螺栓Ⅰ穿过所述连接孔Ⅰ的孔壁与所述星型架Ⅰ的支杆连接，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ上还设有连接钢丝的钢丝孔Ⅰ，所述钢丝孔Ⅰ在所述圆筒的横截面所在平面上的正投影与所述横截面外切，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ上设有螺栓Ⅱ，所述螺栓Ⅱ穿过所述钢丝孔Ⅰ的孔壁将所述钢丝孔Ⅰ内的钢丝固定。

所述星型架Ⅱ的支杆与所述凹槽Ⅱ相匹配且通过所述凹槽Ⅱ与所述圆筒滑动连接，所述星型架Ⅱ的中心与轴连接且可沿所述轴滑动，所述星型架Ⅱ的支杆设有钢丝夹紧滑块Ⅱ，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ具有与所述星型架Ⅱ的支杆滑动连接的连接孔Ⅱ，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ上设有螺栓Ⅲ，所述螺栓Ⅲ穿过所述连接孔Ⅱ的孔壁与所述星型架Ⅱ的支杆连接，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ上还设有连接钢丝的钢丝孔Ⅱ，所述钢丝孔Ⅱ在所述横截面所在平面上的正投影与所述横截面外切，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ上设有螺栓Ⅳ，所述螺栓Ⅳ穿过所述钢丝孔Ⅳ的孔壁将所述钢丝孔Ⅳ内的钢丝固定，

所述作动器的输出端通过辅助套筒与所述星型架Ⅱ固定连接，所述辅助套筒上设有所述轴穿过的孔。

所述凹槽Ⅰ和所述凹槽Ⅱ的横截面均呈倒凸形。

所述圆筒外设有与所述圆筒同轴、等长的圆筒套，所述圆筒套的两端分别设有与所述凹槽Ⅰ和所述凹槽Ⅱ相对应的凹槽Ⅲ和凹槽Ⅳ。

本发明具有以下优点：

(1).圆筒的外径和长度可根据研究需要进行设置，通过调节星型架上的滑块的位置可对不同外径和缠绕角度的螺旋钢丝径向屈曲机理进行研究对比。

(2).本装置中的星型架可实现单根、两根及多根钢丝的径向屈曲实验，并可对其结果进行对比分析。

(3).本装置通过两个圆筒支撑架支撑装置的主要部分，圆筒支撑架的应用保证了加载的便捷。

(4).星型架上的钢丝夹紧滑块可以根据不同圆筒直径锁定在合适的位置处，且钢丝孔适合锁定各种截面形状(圆形或矩形)的钢丝。

(5).圆筒两端设置了凹槽，保证了钢丝夹紧滑块的滑动空间，从而使整根螺旋钢丝在未加载阶段均与圆筒相切，确保了实验的准确性。

(6).通过作动器推动，星型架Ⅱ可沿凹槽Ⅱ和轴滑动，可保证在凹槽Ⅱ长度范围内螺旋钢丝发生径向屈曲。

(7).该装置可通过设置与圆筒同轴、等长的圆筒套覆盖于螺旋钢丝之外，从而可实现对侧向屈曲进行研究。基于上述理由本发明可在实验研究装置等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的实施例1中一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置的空间结构示意图。

图2是本发明的实施例1中一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置的主视图。

图3是本发明的实施例1中圆筒的主视图。

图4是本发明的实施例1中圆筒的侧视图。

图5是本发明的实施例1中星型架Ⅰ(星型架Ⅱ)的空间结构示意图。

图6是本发明的实施例1中钢丝夹紧滑块Ⅰ(钢丝夹紧滑块Ⅱ)的空间结构示意图。

图7是本发明的实施例2中一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置的空间结构示意图。

图8是本发明的实施例2中圆筒套的主视图。

图9是本发明的实施例2中圆筒套的侧视图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图6所示，一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置，包括两个圆筒支撑架1、位于所述圆筒支撑架1上的圆筒2、作动器3和使所述作动器3的输出方向与所述圆筒2同轴的辅助台4，

所述圆筒2的一端设有多个以所述圆筒2的轴线为轴均匀分布的凹槽Ⅰ5，所述圆筒2的另一端设有与所述凹槽Ⅰ5相对应的凹槽Ⅱ6，所述凹槽Ⅰ5和所述凹槽Ⅱ6均平行于所述圆筒2的轴线，

所述研究装置还包括星型架Ⅰ7和星型架Ⅱ8，

所述星型架Ⅰ7的支杆与所述凹槽Ⅰ5相匹配且通过所述凹槽Ⅰ5与所述圆筒2固定连接，所述星型架Ⅰ7的中心一轴固定连接，所述轴通过所述星型架Ⅰ7与所述圆筒2固定连接，所述星型架Ⅰ7的支杆设有钢丝夹紧滑块Ⅰ9，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ9具有与所述星型架Ⅰ7的支杆滑动连接的连接孔Ⅰ10，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ9上设有螺栓Ⅰ11，所述螺栓Ⅰ11穿过所述连接孔Ⅰ10的孔壁与所述星型架Ⅰ7的支杆连接，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ9上还设有连接钢丝12的钢丝孔Ⅰ13，所述钢丝孔Ⅰ13在所述圆筒2的横截面所在平面上的正投影与所述横截面外切，所述钢丝夹紧滑块Ⅰ9上设有螺栓Ⅱ14，所述螺栓Ⅱ14穿过所述钢丝孔Ⅰ13的孔壁将所述钢丝孔Ⅰ13内的钢丝12固定，

所述星型架Ⅱ8的支杆与所述凹槽Ⅱ6相匹配且通过所述凹槽Ⅱ6与所述圆筒2滑动连接，所述星型架Ⅱ8的中心与所述轴连接且可沿所述轴滑动，所述星型架Ⅱ8的支杆设有钢丝夹紧滑块Ⅱ15，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ15具有与所述星型架Ⅱ8的支杆滑动连接的连接孔Ⅱ16，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ15上设有螺栓Ⅲ17，所述螺栓Ⅲ17穿过所述连接孔Ⅱ16的孔壁与所述星型架Ⅱ8的支杆连接，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ15上还设有连接钢丝12的钢丝孔Ⅱ18，所述钢丝孔Ⅱ18在所述横截面所在平面上的正投影与所述横截面外切，所述钢丝夹紧滑块Ⅱ15上设有螺栓Ⅳ19，所述螺栓Ⅳ19穿过所述钢丝孔Ⅳ18的孔壁将所述钢丝孔Ⅳ18内的钢丝12固定，

所述作动器3的输出端通过辅助套筒20与所述星型架Ⅱ8固定连接，所述辅助套筒20上设有所述轴穿过的孔。

所述凹槽Ⅰ5和所述凹槽Ⅱ6的横截面均呈倒凸形。

实施例2

如图7-图9所示，一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置，其与实施例1公开的一种螺旋缠绕钢丝的径向屈曲机理实验研究装置的区别特征为：所述圆筒2外设有与所述圆筒2同轴、等长的圆筒套21，所述圆筒套21的两端分别设有与所述凹槽Ⅰ5和所述凹槽Ⅱ6相对应的凹槽Ⅲ22和凹槽Ⅳ23。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。