侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置及其试验方法

摘要

本发明涉及侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置及其试验方法，包括从左至右依次布置固定架、摆锤机构和升降机构；固定架侧面固装加筋板，摆锤机构上摆动安装摆锤，升降机构通过电磁释放器向上拉动摆锤，电磁释放器失电瞬间松开摆锤使其自由下摆并撞击加筋板；还有测试系统，包括设置于摆锤上的目标标记，摆锤下摆最低点正下方地基上安装光电开关，由光电开关感应目标标记经过时长；摆锤上还安装加速度传感器，加筋板上布置多组传感器组，传感器组、光电开关、加速度传感器和电磁释放器分别与数据采集系统电性连接，数据采集系统连接至测试主机；实现了加筋板在侧向载荷作用下的动态极限强度试验，极大地助力于船体结构的动态极限强度研究。

说明书

技术领域

本发明涉及极限强度试验装置技术领域，尤其是一种侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置及其试验方法。

背景技术

为了满足日益增长的海洋运输需求，商用船舶(如集装箱船)逐渐呈现出大型化、高速化的特征，使得船舶首部结构具有明显的外飘特征；当船舶在恶劣的海况中航行时，由于艏底及艉底出入水、外飘区域与波浪发生碰撞等情况下，船体会发生猛烈的砰击，进而引发剧烈的船体振动，称为砰击颤振。砰击颤振引起的高频振动弯矩与波浪诱导低频弯矩叠加时，会对船体总纵强度构成严重的威胁，使得船艏外飘结构呈现出典型的“瘦马”形式，严重时将使得结构发生破坏，造成巨大的经济损失、甚至威胁到人员的生命安全。根据国内外实船试验及模型试验的研究成果，砰击振动弯矩甚至达到了船体总波浪弯矩的30％～40％。因此，需要开展动态砰击载荷作用下加筋板结构极限强度研究。

现有技术中，对于加筋板结构极限承载能力的研究均为面内准静态载荷作用下的研究，而对于侧向砰击载荷作用下的结构极限强度试验，由于其载荷施加方式较为困难、载荷量值难以控制、载荷作用时间测量困难等诸多因素而无法开展相关研究。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置及其试验方法，从而实现了加筋板在侧向载荷作用下的动态极限强度试验，极大地助力于其极限强度研究。

本发明所采用的技术方案如下：

一种侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置，包括从左至右依次布置有固定架、摆锤机构和升降机构；朝向摆锤机构的固定架侧面固装有加筋板，所述摆锤机构上安装有摆锤，升降机构通过电磁释放器向上拉动摆锤，电磁释放器失电瞬间松开摆锤使其自由下摆并撞击加筋板；

还包括测试系统，其结构为：包括设置于摆锤上的目标标记，位于摆锤下摆最低点正下方安装有光电开关，通过光电开关感应目标标记经过的时长；所述摆锤上还安装有加速度传感器，所述加筋板上布置有多组传感器组，所述传感器组、光电开关、加速度传感器和电磁释放器分别与数据采集系统电性连接，数据采集系统连接至测试主机。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述升降机构调整电磁释放器向上拉动摆锤的高度；

所述升降机构的结构为：包括前后间隔布置的支撑架，两个支撑架上方共同转动安装有转动轴，其中一个支撑架外侧面安装有电机，电机输出端朝上并在端头安装有相互啮合的齿轮组，齿轮组中的从动齿轮固定套装于转动轴端头；所述转动轴上绕装有钢丝绳，钢丝绳端头固装有电磁释放器；所述电机通过布置于支撑架外侧面下方的控制开关控制。

单个支撑架顶端均配装有顶板，顶板和支撑架之间共同通过轴承与转动轴转动连接，顶板固定锁装于支撑架顶端。

所述摆锤机构的结构为：包括前后间隔布置的立柱，两个立柱顶部共同转动安装有摆轴，摆轴中部转动安装有摆臂，摆臂端头固装摆锤。

单个立柱前侧和后侧均固装有加强板，单个立柱顶端均配装有顶盖，顶盖和立柱之间共同通过轴承与摆轴转动连接，顶盖固定锁装于立柱顶端；所述摆轴与摆臂之间安装有轴承。

所述固定架的结构为：包括前后间隔的加强架，单个加强架朝向摆锤机构的侧面均安装有立面板，两个立面板侧面共同通过紧固件锁装有加筋板。

所述摆锤的锤头朝向加筋板，摆锤锤尾固设有吊环，电磁释放器与吊环挂装实现与摆锤的衔接。

所述加筋板的加强筋位于背向摆锤的侧面；还包括将固定架、摆锤机构和升降机构容纳在内的隔离防护网；所述传感器组呈阵列有序布置于加筋板上，单组传感器组包括有应变传感器、位移传感器和加速度传感器。

一种所述的侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置的试验方法，包括如下步骤：

将加筋板安装于固定架上，通过螺栓锁装对加筋板的边界进行刚性固定；

在加筋板侧面呈矩阵形式布置传感器组；

根据设定的载荷大小确定摆锤的高度，并由升降机构经电磁释放器将摆锤提升至该高度，作为下摆的初始位置；

在摆锤初始位置正下方布置激光测距仪，获得其初始位置实际高度；

设置传感器组、加速度传感器的采样频率，开启数据采集系统；随后通过测试主机控制电磁释放器失电，摆锤自由下摆撞击加筋板；

在摆锤下摆过程中，由光电开关反馈目标标记经过时长，获得摆锤实际的速度；

由加速度传感器实时反馈摆锤摆动过程中的加速度，由传感器组实时反馈加筋板受撞击过程中的状态参数，并通过外部高速摄像机拍摄摆锤下摆撞击加筋板的过程；

根据试验需求，在同量值载荷或变量值载荷下重复进行试验直至试验结束。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述目标标记的长度设置为1cm，即经光电开关检测1cm长度上目标标记摆过的时间。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过升降机构在不同高度释放摆锤确定施加载荷的大小，并由电磁释放器完成摆锤的提起及释放，通过固定架完成待试验加筋板的边界固定，通过摆锤上加速度传感器获得整个过程中其加速度变化情况，进而可以通过积分方式获得摆锤整个过程中的速度变化情况，适用于不同载荷量级下、不同尺度加筋板结构的动态极限强度试验，极大地助力于加筋板的极限强度研究，尤其是侧向载荷作用下的动态极限强度研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明测试系统的结构示意图。

图3为本发明升降机构的结构示意图。

图4为本发明摆锤机构的结构示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为本发明固定架的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

其中：1、固定架；2、摆锤机构；3、地基；4、升降机构；5、隔离防护网；6、数据采集系统；7、测试主机；8、摄像机；

10、加筋板；11、立面板；12、加强架；101、加强筋；

20、摆锤；21、加强板；22、立柱；23、摆轴；24、顶盖；25、摆臂；26、吊环；

40、电磁释放器；41、支撑架；42、钢丝绳；43、转动轴；44、顶板；45、齿轮组；46、电机；47、控制开关；

91、传感器组；92、光电开关；93、目标标记；94、加速度传感器；95、激光测距仪。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置，包括地基3，地基3上从左至右依次布置有固定架1、摆锤机构2和升降机构4；朝向摆锤机构2的固定架1侧面固装有加筋板10，摆锤机构2上摆动安装有摆锤20，升降机构4通过电磁释放器40向上拉动摆锤20，电磁释放器40失电瞬间松开摆锤20使其自由下摆并撞击加筋板10；

如图2所示，还包括测试系统，其结构为：包括设置于摆锤20上的目标标记93，位于摆锤20下摆最低点正下方的地基3上安装有光电开关92，通过光电开关92感应目标标记93经过的时长；摆锤20上还安装有加速度传感器94，加筋板10上布置有多组传感器组91，传感器组91、光电开关92、加速度传感器94和电磁释放器40分别与数据采集系统6电性连接，数据采集系统6连接至测试主机7。

通过升降机构4在不同高度释放摆锤20确定施加载荷的大小，并由电磁释放器40完成摆锤20的提起及释放，通过固定架1完成待试验加筋板10的边界固定，通过摆锤20上加速度传感器94获得整个过程中其加速度变化情况，进而可以通过积分方式获得摆锤20整个过程中的速度变化情况，适用于不同载荷量级下、不同尺度加筋板10结构的动态极限强度试验。

升降机构4调整电磁释放器40向上拉动摆锤20的高度；

如图3所示，升降机构4的结构为：包括前后间隔布置的支撑架41，两个支撑架41上方共同转动安装有转动轴43，其中一个支撑架41外侧面安装有电机46，电机46输出端朝上并在端头安装有相互啮合的齿轮组45，齿轮组45中的从动齿轮固定套装于转动轴43端头；转动轴43上绕装有钢丝绳42，钢丝绳42端头固装有电磁释放器40；电机46通过布置于支撑架41外侧面下方的控制开关47控制。

单个支撑架41顶端均配装有顶板44，顶板44和支撑架41之间共同通过轴承与转动轴43转动连接，顶板44固定锁装于支撑架41顶端。

电机46工作，带动齿轮组45中的主动齿轮转动，主动齿轮带动与其啮合的从动齿轮转动，转动轴43随从动齿轮转动，进而实现转动轴43上钢丝绳42的绕装或绕出，从而通过钢丝绳42端头的电磁释放器40实现对摆锤20初始高度的提升或降低。

如图4和图5所示，摆锤机构2的结构为：包括前后间隔布置的立柱22，两个立柱22顶部共同转动安装有摆轴23，摆轴23中部转动安装有摆臂25，摆臂25端头固装摆锤20。

单个立柱22前侧和后侧均固装有加强板21，单个立柱22顶端均配装有顶盖24，顶盖24和立柱22之间共同通过轴承与摆轴23转动连接，顶盖24固定锁装于立柱22顶端；摆轴23与摆臂25之间安装有轴承。

支撑架41与顶部顶板44的配装，以及立柱22与顶部顶盖24的配装，便于其间转动轴43或是摆轴23的替换、安装、维护，从而适用于不同型号、尺寸摆锤20的使用，适于不同试验要求下试验的顺利、可靠进行；顶板44、顶盖24顶端还可设置便于搬运、移载的环扣。

如图6和图7所示，固定架1的结构为：包括前后间隔固装于地基3上的加强架12，单个加强架12朝向摆锤机构2的侧面均安装有立面板11，两个立面板11侧面共同通过紧固件锁装有加筋板10。

立面板11上开设有矩阵布置的多个螺栓孔，根据试验需求的不同，将加筋板10与立面板11上的某些个螺栓孔通过紧固件紧固连接，实现加筋板10边界的刚性固定。

摆锤20的锤头朝向加筋板10，摆锤20锤尾固设有吊环26，电磁释放器40与吊环26挂装实现与摆锤20的衔接。

加筋板10的加强筋101位于背向摆锤20的侧面；还包括将固定架1、摆锤机构2和升降机构4容纳在内的隔离防护网5；传感器组91呈阵列有序布置于加筋板10上，单组传感器组91包括有应变传感器、位移传感器和加速度传感器。

本实施例中，地基3为钢制地基，固定架1、摆锤机构2和升降机构4分别与地基3刚性连接。

本实施例的侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置的试验方法，包括如下步骤：

将加筋板10安装于固定架1上，通过螺栓锁装对加筋板10的边界进行刚性固定；

在加筋板10侧面呈矩阵形式布置传感器组91；

根据设定的载荷大小确定摆锤20的高度，并由升降机构4经电磁释放器40将摆锤20提升至该高度，作为下摆的初始位置；

在摆锤20初始位置正下方的地基3上布置激光测距仪95，获得其初始位置实际高度；

设置传感器组91、加速度传感器94的采样频率，开启数据采集系统6；随后通过测试主机7控制电磁释放器40失电，摆锤20自由下摆撞击加筋板10；

在摆锤20下摆过程中，由光电开关92反馈目标标记93经过时长，获得摆锤20实际的速度；

由加速度传感器94实时反馈摆锤20摆动过程中的加速度，由传感器组91实时反馈加筋板10受撞击过程中的状态参数，并通过外部高速摄像机8拍摄摆锤20下摆撞击加筋板10的过程；

根据试验需求，在同量值载荷或变量值载荷下重复进行试验直至试验结束。

目标标记93的长度设置为1cm，也就是说在摆锤20下摆至最低点时目标标记93在水平方向上的长度为1cm,即经光电开关92检测1cm长度上目标标记93摆过的时间。

试验初始时，通过测试主机7将与数据采集系统6相连接的传感器组91、光电开关92、加速度传感器94和激光测距仪95的参数进行清零初始化；在设备连接准备妥当之后，关闭隔离防护网5；设置各个传感器的采样频率为5000Hz，待数据采集系统6中反馈的收集数据稳定之后，开始试验，即使得电磁释放器40失电，摆锤20自由下摆开始；直至摆锤20撞击完成，即停止时，再按照试验要求进行载荷或其他试验工况的调整，进行重复试验。

本实施例中，按照试验需求设定载荷大小，获得理论的摆锤20初始位置高度h，利用自由落体公式

在摆锤20下摆至最低点，目标标记93经过光电开关92时，由光电开关92反馈目标标记93经过的时长t，而目标标记93的长度预先设定为1cm；由于目标标记93的长度较小，摆锤20运动速度较快，所用时间较短，当经过光电开关92时已经达到最低点，因此，忽略加速度影响，将摆锤20等效为匀速运动，根据v1＝s/t(其中s为目标标记93的长度)，可以求得摆锤20实际撞击速度v1的值。

本发明的侧向载荷下加筋板动态极限强度试验装置，实现了加筋板在侧向载荷作用下的动态极限强度试验，可以精确获得载荷施加大小、载荷作用时间周期、载荷作用过程中的速度变化、加筋板结构变形、应力、应变变化等一系列的参数，极大地助力于加筋板的极限强度研究，使用方便，重复性好，可靠性高。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。