专利名称：管道弯头多轴棘轮应变测试系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种多轴循环载荷作用下，测试管道弯头各位置棘轮应变随时间演化的方法，属于弯管多轴棘轮应变测试系统及方法。
背景技术：
目前国内外在测试管道弯头材料受多轴循环载荷作用下的棘轮应变演化中，还多是对弯头材料棒材或板材标准试样进行多轴棘轮应变的测试，主要是利用引伸计法等。但是这种方法存在很多问题，首先它只考虑材料本身受载后的棘轮行为，未能有效的用来研究结构对多轴棘轮效应的影响，另外它的加载工况及类型均受局限，而且引伸计的定位固定与标定工作都较复杂，操作不当极易产生测量数据不准确等。所以它们不能真实准确的模拟弯头在一次应力和二次应力组合下弯头各处的棘轮应变的累积过程，因此其适用性较差。另外还采用激振装置如振动台来，利用惯性力提供弯曲载荷。虽然它能对弯头结构进行直接加载研究，但是这种方法，提供的载荷范围偏小，加载类型单一，受自身局限较大。最近几年虽有学者也提出过应变片法测试弯头的多轴棘轮效应，但是由于数据采集精度不够高，测试通道有限和测试位置定位不准等局限性，导致测试程序复杂且结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能准确测试管道弯头在三向应力状态下的棘轮应变演化过程的试验方法。本试验方法优化了以往各种方法，利用微机结合传感器控制液压伺服疲劳试验机的施加载荷F和输出压力P来提供各种复杂载荷工况，并采用应变片法测量弯头受复杂载荷工况下的实时多轴棘轮行为。其中，输出压力P导致的弯头试样中的轴向法应力与环向应力之间关系可如下σ7 =--(1)
4xt
PxD R + O.5rnSin0σ,=——χ"(2)
2xt R +rnSinu其中，ο ζ为弯管上内压产生的轴向法应力，MPa ； σ θ为弯管上任意角θ对应处的内压环向应力，MPa ；P表示试验机提供试验设计内压值，MPa ；D为弯头试样的外径，mm ；t代表弯头试样的管壁壁厚，mm ；R表示弯管的曲率半径，mm ;rn表示弯管截面的平均半径，mm ； θ为弯管上某一点所对应的圆心角。该方法测试位置灵活，载荷工况多样，方法新颖，设计合理，数据准确可靠。同时多通道动态应变仪具有低漂移和低噪声、频响宽特点，疲劳试验机具有试验条件、试验参数可以进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时，自动报警停机等功能，可广泛应用于试验研究各种复杂工况下，如地震或管中流体温度变化等，带压弯头的多轴棘轮应变的演化规律，并可用于确定管道弯头的棘轮边界。本发明的技术方案如下
本发明的弯头多轴棘轮测试系统，利用传感器控制液压伺服疲劳试验机、卡具辅助机构和应变片法测量弯头受载的应变变化情况，通过多通道动态应变仪采集数据，经过计算机输出结果。所述的传感器控制液压伺服疲劳试验机包括油压机(11)，试验机加载上卡头 (1)，下卡头(10)及输油软管；传感器控制液压伺服疲劳试验机实现不同内压及弯矩的组合工况加载，并且试验条件、试验参数能够进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时自动报警停机。所述的弯头试样为在一根管道弯头(1 的两端与两个直套管(14)和(16)的各自一端通过焊缝连接；两个直套管的各自另一端则分别于两个管堵(1 和(19)焊缝连接； 两个管堵侧壁位置均开有有一螺纹通孔(13)，用作进出通油口，利于将管内气体有效排出， 防止大量气泡困于管腔内，影响加压效果；灌满油后，将其中一个通油口与三通接头(17) 一端螺纹连接，在三通接头处安装压力表(18)实时观察弯头试样内压力情况；另一通油口 (13)则与连接油压机的输油软管连接。本发明的管道弯头多轴棘轮测试方法将应变片贴于弯头试样( 最大弯矩位置处外表面各处；然后对空腔弯头试样灌油，直至灌满，再将灌满油的连接软管一端与弯头试样( 连接，软管另一端通过快插接头与油压机(11)连接，再通过传感器和装有软件的微机通过改变油压机(11)液位控制弯头试样内压力；将弯头试样各处应变片引线以及温度补偿材料处各应变片引线通过导线与前接线板上各接头按照对应关系进行正确连接；随后将弯头试样与上加载块⑷与下加载块(7)螺纹连接，并在它们之间添加铝材垫片，使加载块与弯头试样之间位移传递连续；接着将上加载块(4)与下加载块(7)分别通过销轴(3) 和(8)实现与上加载杆( 和下加载杆(9)的铰接；再利用疲劳试验机上卡头(1)和下卡头 (10)固定加载辅助机构的上加载杆( 和下加载杆(9)；最后利用微机及试验控制软件， 通过输入不同工况载荷，利用传感器控制弯头试样内压及试验机加载弯矩进行多轴棘轮试验。采用多通道动态应变仪(6)实时采集弯头试样各处应变演化情况，并将数据转换存储于主控计算机03)中。应变片为双向直角应变片，此处共涉及10个位置；其中，定义弯头内弯曲侧(即0 度位置)为位置1，外弯曲侧(即180度位置)为位置9，内缘与外缘之间的两侧中间位置分别定义为位置7(90度位置)和位置10(-90度位置)，在0度到90度位置之间，每隔15 度各贴一片应变片，分别对应位置2至位置6，90度至180度中间位置贴覆一片应变片，即位置8 (135度位置)。所述多通道动态应变仪包括放大器电路(25)，前接线板00)及输入接头(21)，后输出接头(M)，供电电源0 , PCI数据采集器以及主控计算机组成；将应变片微弱电信号变化由前接线板00)和输入接头导入，并经放大电路05)将微弱的电信号变化放大，通过PCI数据采集器将此电信号转变为数字信号显示及存储于主控计算机 (23)。所述卡具辅助机构包括上加载杆( 和下加载杆(9)，上加载块(4)和下加载块 (7)，加载杆与加载块之间通过销轴( 和(8)铰接，加载块与弯头试样( 通过螺纹连接， 连接时，两者间添加适当数量铝垫片，保证试验位移传递连续。对于本发明可以相信说明如下
本试验方法中，应变片应选取90度直角型应变片，可测试各处环向和轴向应变值，同时可得出不同弯矩处弯头棘轮应变的演化情况。本发明的试验方法，可测得不同内压及弯矩组合工况下，弯头试样最大棘轮应变位置的棘轮应变安定情况，并可结合棘轮边界确定方法，确定各种弯头的试验棘轮边界图。具体弯头试样由三部分组成，一是90度弯头，二是各长0.1m的直套管(14)和 (16)，其中直套管(16)管侧开有一通孔，并与三通接头(17)焊缝连接，用作排气孔；三是两个各长为0. Im的直管管堵(12)和(19)；管堵(12)和(19)与直套管(14)和(16)采用对接焊缝连接；其中一管堵(1 的管侧位置设计有一螺纹通孔，用作通油口 ；另一管堵(19) 封闭；灌满油后，将焊有三通接头(17)处安装压力表(18)实时观察弯头腔内压力情况；螺纹孔(1 与连接油压机(11)的输油软管相连，实现内压加载。多轴液压伺服疲劳试验机包括油压机(11)，试验机加载上卡头(1)，下卡头(10)， 及输油软管。本试验机是一种改进的多轴疲劳试验机，可实现不同内压及弯矩的组合工况加载，且试验条件、试验参数通过多轴试验控制软件可以进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时，自动报警停机。多轴试验控制软件如图5所示可实现对施加载荷、施加内压、循环次数、循环周期、加载波形、加载初始相位角等试验参数进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时，自动报警停机。所述夹具辅助机构包括上加载杆( 和下加载杆(9)，上加载块(4)和下加载块 (7)，加载杆与加载块之间通过销轴( 和(8)铰接，加载块与弯头试样( 通过螺纹连接， 连接时，两者间添加适当数量铝垫片，保证试验位移传递连续。本辅助卡具结构简单，设计合理，可准确实现弯头各位置的设计弯矩对称分布，并在弯头中间处提供最大弯矩载荷，保证了试验测量的准确性。所述多通道动态应变仪(6)包括放大器电路(25)，前接线板00)及输入接头 (21)，后输出接头(M)，供电电源0》，PCI数据采集器以及主控计算机组成。其主要作用是将应变片微弱电信号变化由前接线板00)输入接头导入，并经放大电路05) 将微弱的电信号变化放大，通过PCI数据采集器将此电信号转变为数字信号显示及存储于主控计算机0；3)。其原理是，放大器0 内部提供高精度低温漂5V桥压和两个低温漂精密电阻，阻值为120欧姆。只需要外接两个120欧姆应变片，即一个应变片和一个温度补偿用应变片，即可构成惠斯通电桥。因为惠斯通电桥(又称单臂电桥)是一种可以精确测量电阻的仪器；由于试样受载变形将导致弯头各处各个方向产生应变，引起应变片电阻发生变化，此微弱变化的电信号经过惠斯通电桥进行放大并最终将其转变为数字信号记录在主控计算机中。本发明优点在于，可提供多种复杂载荷组合工况，载荷工况及应用范围广，测试位置可灵活调整，即应变片贴覆位置可根据具体试验设计任意选择，不受试验条件限制；且测试结果精度高，数据曲线光滑平稳，设计合理。此外，多通道动态应变仪具有低漂移和低噪声、频响宽的特点。改进疲劳试验机具有试验条件、试验参数可以进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时，自动报警停机等功能。夹具辅助结构可实现弯头各处弯矩的对称均勻梯度分布，并在其中间位置施加最大弯矩。
图1为所述试验方法辅助结构示意图；图2为多通道动态应变仪放大电路电桥原理图；图3为弯头试样3结构设计示意图；图4为应变测试系统11结构示意图；图5为多轴棘轮试验控制软件程序执行框图；图6为利用此试验方法测试一种不锈钢弯头试样受多轴循环载荷作用下的多轴棘轮行为所得环向应变-轴向应变关系图；图7为此试验方法测试一种不锈钢弯头试样多轴棘轮行为所得加载载荷-环向应变滞环图；图8为此试验方法测试一种不锈钢弯头试样的位置1处的环向棘轮应变及轴向棘轮应变随循环圈数变化关系图；图中1上夹头、2上加载杆、3销轴a、4上加载块、5弯头试样、6多通道应变数据测试采集系统、7下加载块、8销轴b、9下加载杆、10下夹具、11多轴液压疲劳试验机、12管堵a、13进油孔、14直套管a、1590度弯头、16直套管b、17三通接头、18精密压力表、19管堵b、20前接线板、21输入接头、22供电电源、23PCI数据采集器及主控计算机、M后输出接头、25放大器电路。
具体实施例方式本发明是通过利用多轴疲劳试验机配以卡具辅助机构来实现内压管件的循环弯曲，并利用精密应变片测量弯头试样的棘轮应变。此试验方法所使用仪器包括设计弯头试样5、多轴疲劳试验机11、多通道动态应变测量仪6及其它辅助机构。所述设计弯头试样5 主要由三部分组成，一是90度弯头，二是各长0. Im的直套管(14)和(16)，其中直套管(16) 管侧开有一通孔，并与三通接头(17)焊缝连接，用作排气孔；三是两个各长为0. Im的直管管堵(12)和(19)；管堵(12)和(19)与直套管(14)和(16)采用对接焊缝连接；其中一管堵(1 的管侧位置设计有一螺纹通孔，用作通油口 ；另一管堵(19)封闭；灌满油后，将焊有三通接头(17)处安装压力表(18)实时观察弯头管内压力情况；螺纹孔(1 与连接油压机(11)的输油软管相连，实现内压加载。所述多轴液压伺服疲劳试验机11包括试验机加载上卡头1，下卡头10，及输油软管；所述卡具辅助机构包括上加载杆2和下加载杆9，上加载块4和下加载块7，它们之间通过销轴3和8铰接；其中，应变片位置设计如图3所示；辅助机构的作用主要是将弯头试样5准确定位固定于多轴疲劳试验机11，实现将试验机的拉伸或压缩载荷F转变成弯矩作用在弯头试样5，弯矩在弯头上不仅可产生环向应力，还会产生轴向应力。由弯矩在弯头上引起的环向应力，在同一截面各点处是不同的，在中性轴处内外侧的环向应力最大；而由弯矩在弯头上引起的轴向应力，如同环向应力一样，同一截面上各点处不相同，但其符号与环向应力相同，大小为该点环向应力的1/3 1/2。如图3所示， 根据材料力学理论，其弯曲正应力计算公式如下
FDM = — x (Lbb, + —)(3)
权利要求
1.弯头多轴棘轮应变测试系统，其特征是利用传感器控制液压伺服疲劳试验机、夹具辅助机构和应变片法测量弯头，通过多通道动态应变仪采集数据，经过计算机输出结果。
2.如权利要求1所述的弯头多轴棘轮测试系统，其特征是所述的传感器控制液压伺服疲劳试验机包括油压机，试验机加载上卡头，下卡头及输油软管；传感器控制液压伺服疲劳试验机实现不同内压及弯矩的组合工况加载，并且试验条件、试验参数能够进行预设、测控、自动记录，试验出现失效或异常时自动报警停机。
3.如权利要求1所述的测试系统，其特征是所述的弯头试样为在一根管道弯头的两端焊缝连接两根直套管，直套管两端设置有两个直管管堵；其中一根完全封闭；另一端管堵侧壁面设置有一螺纹通孔，用作通油口 ；另一端直套管外侧壁开有一通孔，用作出气孔， 此出气孔与三通接头焊缝对接；灌满油后，在三通接头处安装压力表实时观察弯头内压力情况，前述通油孔与输油设备连接。
4.弯头多轴棘轮应变测试方法，其特征是将应变片贴于弯头试样( 最大弯矩位置处外表面各处；然后对空腔弯头灌油，直至灌满，再将灌满油的连接软管一端与弯头试样(5) 连接，软管另一端通过快插接头与油压机(11)连接，再通过传感器和装有软件的微机通过改变油压机液位控制弯头内压力；将弯头各处应变片弓I线以及温度补偿材料处各应变片弓I 线通过导线与前接线板上各接头按照对应关系进行正确连接；再将弯头试样与上加载块 (4)与下加载块(7)螺纹连接，并在它们之间添加铝材垫片，使加载块与弯头试样之间位移传递连续；接着将上加载块(4)与下加载块(7)分别通过销轴( 和(8)实现与上加载杆( 和下加载杆(9)的铰接；再利用疲劳试验机上卡头(1)和下卡头(10)固定加载辅助机构的上加载杆⑵和下加载杆(9)；接着利用微机及试验控制软件，通过输入不同工况载荷，利用传感器控制弯头内压及试验机加载弯矩进行多轴棘轮试验，最后采用多通道动态应变仪(6)实时采集弯头试样各处应变演化情况，并将数据转换存储于主控计算机03) 中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是应变片为双向直角应变片，贴于弯头的位置优选为弯头中间位置截面；将双向直角应变片贴于10个位置，其中，弯头内缘侧O度位置为位置1，外缘侧180度位置为位置9，内缘与外缘之间的中间的90度位置为位置7和-90度位置为位置10，在0度到90度位置之间，每隔15度各贴一片应变片，90度至180度位置之间贴覆一片应变片。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是所述多通道动态应变仪包括放大器电路(25)， 前接线板00)及输入接头(21)，后输出接头(M)，供电电源0 , PCI数据采集器以及主控计算机03)组成；将应变片微弱电信号变化由前接线板00)输入接头导入，并经放大电路0 将微弱的电信号变化放大，通过PCI数据采集器将此电信号转变为数字信号显示及存储于主控计算机03)。
7.如权利要求4所述的方法，其特征是所述夹具辅助机构包括上加载杆(2)和下加载杆(9)，上加载块⑷和下加载块(7)，加载杆与加载块之间通过销轴(3)和⑶铰接，加载块与弯头试样( 通过螺纹连接，连接时，两者间添加适当数量铝垫片，保证试验位移传递连续。
全文摘要
本发明管道弯头多轴棘轮应变测试系统及方法。利用微机结合传感器控制液压伺服疲劳试验机的施加载荷F和输出压力P来提供各种复杂载荷工况，并采用应变片法测量弯头受复杂载荷工况下的实时多轴棘轮行为。利用传感器控制液压伺服疲劳试验机、卡具辅助机构和应变片法测量弯头受载的应变变化情况，通过多通道动态应变仪采集数据，经过计算机输出结果。本发明可提供多种复杂载荷组合工况，载荷工况及应用范围广，测试位置可灵活调整，即应变片贴覆位置可根据具体试验设计任意选择，不受试验条件限制；且测试结果精度高，数据曲线光滑平稳，设计合理。多通道动态应变仪具有低漂移和低噪声、频响宽的特点。
文档编号G01N3/62GK102162778SQ20101059944
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者梅云辉, 陈刚, 陈旭, 高炳军 申请人:天津大学