CN111579227A - 一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其包括防护架、升降施力装置、力学传感器、施力架、夹具架和计算机，防护架内设有实验空间，实验空间的内底面为水平工作面，夹具架固定设在水平工作面上，夹具架用于固定待测试包含有工字架与浮管的浮架结构的两端，升降施力装置安装在防护架的上端，施力架设在升降施力装置上，以通过施力架对浮架结构的工字架位置、浮管位置或者焊接位置施加向下的载荷力、向上的载荷力或者上下振动力，力学传感器设在施力架与升降施力装置的下活动端之间，计算机接收力学传感器输出的载荷信号，计算机还接收升降施力装置的升降位移信号。本发明可对网箱浮架结构开展力学性能的试验。

Description

一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备
技术领域
本发明涉及一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备。
背景技术
高密度聚乙烯(HDPE)重力式网箱具有性价比高、养殖容量大等优势，为了减轻近岸环境压力不断向深远海域发展，网箱***可能由于无法承受波浪环境的过大载荷而屈服变形，尤其在面对超强台风侵袭时塑性屈服现象依然较严重。
其中，浮架结构为网箱***的关键受力构件，浮架结构的失效将导致整个网箱***的破坏，因此，设计及应用试验设备测定浮架结构的力学性能具有重要的理论价值和应用价值。
海上网箱作业过程中，在持续的波浪载荷作用下，网箱的浮架结构的塑性破坏通常发生在系泊处、焊缝处、浮管与工字架的联接处，工字架与双浮管的联接设置对网箱的力学性能影响较大，对工字架与浮管组装成的联接结构的强度进行测试即可获得浮架结构的实际结构强度。
而，目前对于网箱的浮架结构的测试只是对其中的浮管材料进行力学性能测试，测试时会将浮管加工为标准试样。而在将整体的浮管加工成标准试样的过程中会容易在浮管表面产生划痕、扭曲凹陷及缺口，这些会引起应力集中影响测试结果。且上述的测试只能对浮管进行测试，而不能对未经机加工的浮架结构的力学性能进行测试。且流固耦合及水动力试验因很难满足刚度相似条件而几乎无法直观模拟网箱塑性变形。
作业网箱***长期承受波浪动态缓冲力的影响，尤其在台风期高振幅、高频率交变应力作用下的结构疲劳更需要评估校准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其可对网箱浮架结构开展力学性能的试验。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：包括防护架、升降施力装置、力学传感器、施力架、夹具架和计算机，防护架内设有实验空间，实验空间的内底面为水平工作面，夹具架固定设在水平工作面上，且夹具架的位置可调节，夹具架用于固定待测试包含有工字架与浮管的浮架结构的两端，升降施力装置安装在防护架的上端，且升降施力装置可前后左右调节，施力架设在升降施力装置的下活动端，由升降施力装置带动施力架作升降运动，以通过施力架对浮架结构的工字架位置、浮管位置或者焊接位置施加向下的载荷力、向上的载荷力或者上下振动力，力学传感器设在施力架与升降施力装置的下活动端之间，用于测得作用在施力架上的力，计算机接收力学传感器输出的载荷信号，计算机还接收升降施力装置的升降位移信号。
本发明的试验设备还包括横梁，横梁通过前后滑动滚轮可前后调节安装在防护架的上边，升降施力装置通过左右滑动滚轮可左右调节安装在横梁上。本发明通过横梁及其上的前后滑动滚轮实现前后调节。
其中，升降施力装置包括气缸，气缸通过左右滑动滚轮可左右调节的安装在防护架的上端，气缸竖直向下。本发明通过左右滑动滚轮实现左右调节。
进一步的，在水平工作面上设有若干个固定螺纹孔，在水平工作面上面设有多个压杆，压杆通过固定螺栓固定在固定螺纹孔上，压杆的一端部压在夹具架的下边框上。压杆的设置实现了夹具架的位置可调节。
其中，夹具架包括两个固定架，两个固定架分别用于固定浮管的两端。
进一步的，固定架上设有固定槽，浮管的端部通过绳索或夹具固定在固定槽中。
进一步的，防护架的周边设有防护网。
本发明为了保证操作的安全，升降施力装置上设有用于控制其启动的电源开关、用于控制其下降的下移动开关和用于控制其上升的上移动开关，电源开关分别与下移动开关和上移动开关相关联设置，只有同时接通电源开关和下移动开关才能控制升降施力装置下降，只有同时接通电源开关和上移动开关才能控制升降施力装置上升。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过夹具架固定浮架结构的两端，通过施力架对浮架结构的工字架、浮管或者焊接位置施加向下的载荷力、向上的载荷力或者上下振动力，再通过力学传感器向计算机输送测得的力的信号，从而可测试获得网箱浮架的弯曲、压缩、拉伸等网箱浮架结构的力学性能数据，实现了直接对网箱浮架结构开展力学性能的试验。本发明试验设备对网箱的进一步设计优化具有极大促进作用。
2、本发明针对浮架结构的浮管与工字架整体结构、局部结构或焊接结构开展强度试验，可对不同结构形式的网箱浮架结构进行力学性能测定。
3、采用夹具架紧固浮架结构的两端，施力架施加载荷力，以模拟波浪载荷及锚泊约束于浮架对应部位，能够精确模拟浮架在海上波浪环境下作业时的系泊力。
附图说明
图1是本发明实施例一的立体结构示意图；
图2是本发明实施例一的横梁、气缸、力学传感器和施力架的装配结构示意图；
图3是本发明实施例一的固定架固定浮架结构的结构示意图；
图4是本发明实施例一在浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩位移与压缩载荷之间的曲线图；
图5是本发明实施例一在浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图；
图6是本发明实施例一在工字架上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图；
图7是本发明实施例一在焊接的浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图；
图8是本发明实施例一在浮管上施加上下振动力时获得的压缩振动位置与压缩振动载荷之间的曲线图；
图9是在浮管内中间区域增加一个竖梁后再经本发明对浮管上施加载荷力进行试验获得的压缩位移与压缩载荷之间的曲线图；
图10是本发明实施例二的施力架的结构示意图。
图中附图标记含义：
1-防护架；1.1-边框滑槽；1.2-水平工作面；1.3-实验空间；1.4-固定螺纹孔；2-气缸；2.1-下活动端；3-力学传感器；4-前后滑动滚轮；5-横梁；5.1-横梁滑槽；5.2-横梁锁定板；6-左右滑动滚轮；7-防护网；8-固定架；8.1-固定架的下边框；8.2-固定槽；9-脚轮；10-固定脚；11-压杆；12-计算机；13-压缩机；14-气路；15-电源开关；16-下移动开关；17-上移动开关；18-浮管；19-工字架；20-横梁锁定螺栓；21-气缸锁定螺栓；22-施力架；23-固定环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。
实施例一：
如图1所示为实施例一的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其包括防护架1、升降施力装置、力学传感器3、施力架22、夹具架、横梁5和计算机12。
防护架1为由铝型材和紧固螺丝连接而成的立方体架，底下设有脚轮9和固定脚10，脚轮9方便了防护架1的移动，固定脚10在需要固定时降下支撑在地面上。防护架1内部位实验空间1.3，正面为敞口，其余三面设有防护网7，防护网7保证了试验时的安全。
实验空间1.3的内底面由底板铺设而成，形成水平工作面1.2，水平工作面1.2与地面具有一定距离，夹具架固定设在水平工作面1.2上，且夹具架8的位置可调节，夹具架8用于固定待测试包含有工字架19与浮管18的浮架结构的两端。夹具架包括两个固定架8，具体固定结构为：在水平工作面1.2上设有若干个固定螺纹孔1.4，固定螺纹孔1.4按矩阵排列，在水平工作面1.2上面对应每个固定架8分别设有六个压杆11，压杆11通过固定螺栓固定在固定螺纹孔1.4上，压杆11的一端部压在固定架8的下边框8.1上，通过将压杆11固定在不同的螺纹孔上，即可将固定架8固定在不同的位置，从而适应不同大小规格的浮架结构。如图3所示，在固定架8上设有固定槽8.2，在固定槽8.2两边设有固定环23，浮管18的端部通过绳索或夹具固定在固定槽8.2中，绳索或夹具的两端可绑在固定环23上。
如图1和图2所示，横梁5的两端分别设有垂直方向的三个前后滑动滚轮4和水平方向的两个前后滑动滚轮4，在防护架1的两条上边框的上表面和内侧面分别对应设有边框滑槽1.1，前后滑动滚轮4对应配合装在边框滑槽1.1上，从而使得横梁5可前后滑动，在横梁5的两端的下边设有横梁锁定板5.2，横梁锁定板5.2位于防护架1的上边框的下方，在横梁锁定板5.2上螺纹连接有横梁锁定螺栓20，在需要固定横梁5时，向上拧紧横梁锁定螺栓20，即可锁定横梁5。
本实施例的升降施力装置包括气缸2，当然，对应气缸2会设有压缩机13、连接压缩机13与气缸2的气路14。气缸2竖直向下且可左右调节的安装在防护架1的上端，具体安装结构为：如图2所示，横梁5的中间设有横向的滑动空间，气缸2的上部穿过滑动空间，在气缸2的上部设有四个左右滑动滚轮6，四个左右滑动滚轮6两两分布在前后侧，并位于横梁5的上方，在横梁5的上边分别对应前后侧的左右滑动滚轮6设有横向的横梁滑槽5.1，左右滑动滚轮6对应安装在横梁滑槽5.1上，从而实现气缸2的左右滑动调节。在气缸2的上部还设有气缸锁定板，气缸锁定板位于横梁5的下方，在气缸锁定板上螺纹连接有气缸锁定螺栓21，在需要固定气缸2时，向上拧紧气缸锁定螺栓21，即可锁定气缸2。
本实施例通过横梁5、前后滑动滚轮4和左右滑动滚轮6实现了气缸2的可前后左右调节设置。
施力架22为横向的长方形架，施力架22的中部与气缸2的下活动端2.1连接，由气缸2带动施力架22作升降运动。力学传感器3设在施力架22与气缸的下活动端2.1之间，用于测得作用在施力架22上的力。
力学传感器3与计算机12电性连接，计算机12接收力学传感器3输出的载荷信号。在气缸2中会配有位移传感器，为常规配置，与计算机12电性连接，计算机12还接收气缸2的升降位移信号。
本实施例对于气缸2的控制，设有用于控制其启动的电源开关15、用于控制其下降的下移动开关16和用于控制其上升的上移动开关17，电源开关15分别与下移动开关16和上移动开关17相关联设置，只有同时接通电源开关15和下移动开关16才能控制气缸2下降，只有同时接通电源开关15和上移动开关17才能控制气缸2上升，从而保证了操作时的安全。接通电源开关15，当长时间按下移动开关16或上移动开关17时，气缸2为持续下降或上升，当点动按下移动开关16或上移动开关17时，气缸2为间断性下降或上升。
如图1和图3所示，本实施例对包含有两条浮管18和两个工字架19的浮架结构进行试验，其中浮管18的材料为高密度聚乙烯(HDPE)，两个工字架19分别联接两条浮管18的两端部，试验时调节两个固定架8的位置，将两条浮管18的两端分别固定在两个固定架8上。
通过前后调节横梁5，左右调节气缸2，使得施力架22位于其中一个工字架19的上方，锁定横梁5和气缸2，控制气缸2下降即可对工字架19位置施加向下的载荷力。通过前后调节横梁5，左右调节气缸2，使得施力架22位于浮管18的上方，控制气缸2下降即可对浮管18位置施加向下的载荷力。将施力架22下降至浮架结构的下方，调节施力架22至工字架19的下方或者浮管18的下方，控制气缸2上升，即可对工字架19或者浮管18施加向上的载荷力。在工字架19下降至浮架结构的下方进行试验时，也可通过控制气缸2上下循环运动，从而施加上下振动力，进行疲劳试验。通过上述过程即可对浮架结构的力学性能进行测试。
浮架结构为两端固定，试验时可为三点受力，在通过施力架22施加向下的载荷力时为对浮架结构进行弯曲受力试验，是浮架结构在深海使用过程中最容易受到的破坏力，可模拟强台风环境下系泊力对浮架结构的破坏情况。在通过施力架22施加向上的载荷力时为对浮架结构进行拉伸试验。
在锚绳系泊及波浪载荷作用下，网箱浮架结构主要承受弯曲载荷，弯曲载荷对海上作业浮架破坏损伤为最主要影响因素，本实施例实现了在实验室1:1模拟网箱浮架结构的受力及破坏过程，可以真实反映波浪作业环境时系泊载荷的工字架与浮管联接结构的极限强度。
本试验设备受力方式灵活，方便改变网箱浮架试样的位置，可更改为压缩工字架试验，模拟在工字架处系泊对网箱浮架结构的作用。
通过对安装有不同数量或者不同间距的工字架19的浮架结构分别开展试验，可精确研究工字架19对浮架结构的保护作用。
同理可对包含有焊接的浮管18的浮架结构进行试验，对焊接位置施加载荷力，从而试验焊接的浮架结构力学性能。
由于夹具架8和气缸2均可调节，可对不同管径和壁厚的浮管18的浮架结构开展试验。
在试验中，持续的施加载荷力，浮架结构会由弹性形变转为塑性形变，浮管18与工字架19的联接位置会出现断裂现象，此破坏过程与波浪较大时，锚泊处承受最大载荷从而引起网箱浮架结构失效的过程一致，从而通过简化的方法直观、准确分析了网箱浮架结构承受极端海况条件下的破坏过程。试验中通过摄像机或人眼观察，当浮架结构出现明显的屈服或断裂时停止试验，通过传感器获得的数据，获得力、位移和时间之间的关系及曲线图。
HDPE材质的网箱浮架结构在不同关键结构的屈服断裂规律如图4-图8所示，其为试验获得的压缩力上的曲线图，可对这样的曲线图进行浮架结构的力学性能分析。当然，也可以获得拉伸力上的曲线图，也可以进行浮架结构的力学性能的分析。
如图4所示为本实施例直接在浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩位移与压缩载荷之间的曲线图，如图5所示为本实施例在浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图。从两图中可以得到浮架结构用特定规格浮管试验时，随着压缩位移的不断增大，压缩载荷先按一定比例增加，随后增速减小，达到最大值后逐渐减小，此曲线反映了浮架结构上的浮管依次由弹性变形、达到屈服应力、应力强化、塑性拉伸，最后断裂失效的详细过程。
同理，以下图同样看出浮架结构其他关键部件的破坏过程，各部件破坏规律主要包括弹性阶段、达到屈服强度、应力软化、应力强化、塑性伸长、断裂。但破坏过程有所不同，以判定各部件的力学性能。
如图6所示为本实施例在工字架上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图，与图5、图7相比较，在塑性变形至断裂阶段，断裂伸长率明显增大。
如图7所示为本实施例在焊接的浮管上施加载荷力进行试验时获得的压缩应力与压缩应变之间的曲线图，从图7可以看出，焊接的浮管的强度明显小于网箱母管材，焊接的浮管的断裂伸长率也小于母管材，说明焊接的浮管的韧性降低。浮架结构的焊接浮管的断裂伸长率、屈服强度皆小于母管材，而弹性模量较大，为网箱浮架作业危险区域之一，由此可给出网箱浮架优化意见，减少焊接接头。
根据长期波浪动态载荷对网箱的振动疲劳作用过程，网箱浮架结构与锚泊、网衣由于波浪作用相互接触或分离时发生刚度突变而导致受力状态不断变化，网箱浮架结构主要承受弯曲载荷而呈往复振动，弯曲后的浮架结构外侧受到交变压缩力，与试验过程的受力形式相同。如图8所示为本实施例在浮管上施加上下振动力时获得的压缩振动位置与压缩振动载荷之间的曲线图，测定交变载荷条件下浮架结构的疲劳响应，可依此确定浮架结构长期在海况条件下的承载失效情况。按照指定的振幅及频率，通过振动试验可以获得网箱浮架结构的疲劳老化性能。为长期承受极限波浪及系泊环境下网箱结构的优化设计提供试验支撑。
根据以上图的力学性能测试结果，可对浮架结构进行优化设计并对比试验，在浮管内中间区域增加一个竖梁，并获得了对应如图9所示的力学性能，最大拉力增大，表明强度增大。
实施例二：
实施例二的试验设备与实施例的不同在于施力架22，如图10所示为实施例二的施力架22，其更换为圆形架，通过更换为圆形的施力架22可以调整对网箱浮架结构的受力面积和形式。
当然，施力架22的形状结构也可以为其它能对浮架结构进行施力的结构。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：包括防护架、升降施力装置、力学传感器、施力架、夹具架和计算机，所述防护架内设有实验空间，所述实验空间的内底面为水平工作面，所述夹具架固定设在所述水平工作面上，且所述夹具架的位置可调节，所述夹具架用于固定待测试包含有工字架与浮管的浮架结构的两端，所述升降施力装置安装在所述防护架的上端，且所述升降施力装置可前后左右调节，所述施力架设在所述升降施力装置的下活动端，由所述升降施力装置带动所述施力架作升降运动，以通过所述施力架对所述浮架结构的工字架位置、浮管位置或者焊接位置施加向下的载荷力、向上的载荷力或者上下振动力，所述力学传感器设在所述施力架与所述升降施力装置的下活动端之间，用于测得作用在所述施力架上的力，所述计算机接收所述力学传感器输出的载荷信号，所述计算机还接收所述升降施力装置的升降位移信号。
2.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述试验设备还包括横梁，所述横梁通过前后滑动滚轮可前后调节安装在所述防护架的上边，所述升降施力装置通过左右滑动滚轮可左右调节安装在所述横梁上。
3.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述升降施力装置包括气缸，所述气缸通过左右滑动滚轮可左右调节的安装在所述防护架的上端，所述气缸竖直向下。
4.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：在所述水平工作面上设有若干个固定螺纹孔，在所述水平工作面上面设有多个压杆，所述压杆通过固定螺栓固定在所述固定螺纹孔上，所述压杆的一端部压在所述夹具架的下边框上。
5.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述夹具架包括两个固定架，两个所述固定架分别用于固定浮管的两端。
6.根据权利要求5所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述固定架上设有固定槽，浮管的端部通过绳索或夹具固定在所述固定槽中。
7.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述防护架的周边设有防护网。
8.根据权利要求1所述的用于测试深水网箱浮架结构力学性能的试验设备，其特征在于：所述升降施力装置上设有用于控制其启动的电源开关、用于控制其下降的下移动开关和用于控制其上升的上移动开关，所述电源开关分别与所述下移动开关和上移动开关相关联设置，只有同时接通所述电源开关和所述下移动开关才能控制所述升降施力装置下降，只有同时接通所述电源开关和所述上移动开关才能控制所述升降施力装置上升。
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