双向驱动式管道断裂模拟实验装置及实验方法与流程

本发明属于管道设计制造领域，具体地，涉及一种双向驱动式管道断裂模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

管道断裂实验在确定管道断裂特性方面有重要的应用，现阶段的管道断裂实验可分为小型的实验室实验、大型的实验室实验和实际的结构实验。小型的实验室实验包括：三点弯曲试验、紧凑拉伸试验和落锤试验等，小型的实验室实验采用小试件研究断裂特性，管材试件与实际管道存在尺寸误差、约束误差等，影响对管道断裂特性的判断认识；大型的实验室实验如宽板试验，对实验机的加载能力要求极高，所需成本较高；实际的结构实验如全尺寸爆破试验，全尺寸爆破试验耗费极大的人力、物力，且实验过程有极大的危险性。为解决上述问题，亟需设计一种专用的在管道上进行管道断裂实验的实验装置。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种直接在管段上进行断裂模拟实验的装置和实验方法，运用该装置可以实现在管段上安全的进行断裂实验，并且可以实时观测裂纹扩展情况，以解决常规管道断裂实验试件制备困难、误差较大、成本过高、危险性较大等难题，且结构简单，使用方便。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

双向驱动式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统、管道扩撑系统、DIC测试系统；实验管段的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹，预制裂纹关于实验管段的轴向中面对称；管道支撑系统对实验管段的两端进行支撑；管道扩撑系统由拉杆或丝杠牵引对实验管段的侧壁进行扩撑，引起实验管段断裂；DIC测试系统对实验管段的断裂过程进行实时观测。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)、实验试样采用全尺寸管道试样，直接从管道上截取，减小尺寸误差、约束误差等，保证数据的可靠性。

(2)、实验采用液压缸或者电动机驱动装置，降低工作风险，减少成本。

(3)、实验过程中，通过控制拉杆和丝杠的运动速度，可以控制扇形块的张开速度，同时控制裂纹的扩展速度，保证所得数据的精确性。

(4)、扇形块拥有足够长的长度，扩展过程中与管壁均匀接触，保证实验过程裂纹稳定扩展。

(5)、运用DIC测试装置实时观测裂纹扩展情况，方便获取所需数据。

附图说明

图1是双向液压驱动式管道断裂模拟实验装置正视示意图。

图2是双向液压驱动式管道断裂模拟实验装置实验过程中正视示意图。

图3是图1的径向的半剖示意图。

图4是图2的径向的半剖示意图。

图5是图3的A-A向的剖视示意图。

图6是图4的B-B向的剖视示意图。

图7是双向丝杠驱动式管道断裂模拟实验装置正视示意图。

图8是双向丝杠驱动式管道断裂模拟实验装置实验过程中正视示意图。

图9是图7的径向的半剖示意图。

图10是图8的径向的半剖示意图。

其中：1、实验管段，2A、第一扇形块，2B、第二扇形块，3A、第一锥形块，3B、第二锥形块，4A、左上橡胶圈，4B、右上橡胶圈5A、第一拉杆，5B、第二拉缸，6A、第一固定螺栓，6B、第二固定螺栓，6C、第三固定螺栓，6D、第四固定螺母，7、DIC(数字图像相关方法)测试系统，8A、左上金属圈，8B、右上金属圈，9、预制裂纹，10、光源，11、图像采集器，12、计算机，13A、左下橡胶圈，13B、右下橡胶圈，14A、左下金属圈，14B、右下金属圈，15、凹槽，16、液压缸主体，17A、第一橡胶卡圈，17B、第二橡胶卡圈18、管道扩撑系统，18A、第一管道扩撑系统，18B、第二管道扩撑系统，19、管道支撑系统，20A、左上卡圈，20B、右上卡圈，21A、左下卡圈，21B、右下卡圈，22A、第一弹性卡圈，22B、第二弹性卡圈，23A、第一丝杠，23B、第二丝杠，24、电动机。

具体实施方式

实施例一

如图1至图6所示，双向液压驱动式管道断裂模拟实验装置，包括：管道支撑系统19、管道扩撑系统18、DIC测试系统7、第一拉杆5A、第二拉杆5B、液压缸主体16；实验管段1的侧壁开设有轴向穿透预制裂纹9，预制裂纹9关于实验管段1的轴向中面对称；管道支撑系统19对实验管段1的两端进行支撑；管道扩撑系统18由第一拉杆5A、第二拉杆5B牵引对实验管段1的侧壁进行扩撑，引起实验管段1断裂；液压缸主体16同时为第一拉杆5A、第二拉杆5B提供动力；DIC测试系统7对实验管段1的断裂过程进行实时观测。

管道支撑系统19，包括：左上卡圈20A、左下卡圈21A、右上卡圈20B、右下卡圈21B、第一橡胶卡圈17A、第二橡胶卡圈17B；左上卡圈20A、左下卡圈21A位于实验管段1的左端，左上卡圈20A由内向外依次为左上橡胶圈4A、左上金属圈8A，左下卡圈21A由内向外依次为左下橡胶圈13A、左下金属圈14A；左上卡圈20A、左下卡圈21A通过螺栓将实验管段1的左端固定；右上卡圈20B、右下卡圈21B位于实验管段1的右端，右上卡圈20B由内向外依次为右上橡胶圈4B、右上金属圈8B，右下卡圈21B由内向外依次为右下橡胶圈13B、右下金属圈14B；右上卡圈20B、右下卡圈21B通过螺栓将实验管段1的右端固定；左上卡圈20A、左下卡圈21A与右上卡圈20B、右下卡圈21B相对于实验管段1径向中面完全对称。

第一橡胶卡圈17A通过螺钉固定于实验管段1的左端内壁上，第二橡胶卡圈17B通过螺钉固定于实验管段1的右端内壁上。

管道扩撑系统18，包括：第一管道扩撑系统14A、第二管道扩撑系统14B。

第一管道扩撑系统18A，包括：八块第一扇形块2A、第一弹性卡圈22A、第一锥形块3A；八块第一扇形块2A组合形成内壁为锥形通孔的圆柱体，圆柱体的侧壁开设三圈凹槽15，三圈凹槽15沿圆柱体的轴向均匀分布；凹槽19内设第一弹性卡圈22A，第一弹性卡圈22A将第一扇形块2A互相连接；圆柱体的外壁与实验管段1的内壁紧密接触。锥形通孔朝内的一端直径大，朝外的一端直径小，第一锥形块3A沿中轴线穿过锥形通孔，第一锥形块3A的长度小于锥形通孔的长度；第一锥形块3A为圆台，内端面为大口径端；第一锥形块3A与锥形通孔形状相互配合；第一拉杆5A沿中轴线穿过第一锥形块3A，第一拉杆5A通过第一固定螺母6A、第二固定螺母6B固定于第一锥形块3A上，第一拉杆5A右端与液压缸主体16左端相连，由液压缸主体16牵引使第一管道扩撑系统18A运动。

第二管道扩撑系统18B，包括：八块第二扇形块2B、第二弹性卡圈22B、第二锥形块3B；八块第二扇形块2B组合形成内壁为锥形通孔的圆柱体，圆柱体的侧壁开设三圈凹槽15，三圈凹槽15沿圆柱体的轴向均匀分布；凹槽19内设第二弹性卡圈22B，第二弹性卡圈22B将第二扇形块2B互相连接；圆柱体的外壁与实验管段1的内壁紧密接触。锥形通孔朝内的一端直径大，朝外的一端直径小，第二锥形块3B沿中轴线穿过锥形通孔，第二锥形块3B的长度小于锥形通孔的长度；第二锥形块3B为圆台，内端面为大口径端；第二锥形块3B与锥形通孔形状相互配合；第二拉杆5B沿中轴线穿过第二锥形块3B，第二拉杆5B通过第三固定螺母6B、第四固定螺母6B固定于第二锥形块3B上，第二拉杆5B左端与液压缸主体16右端相连，由液压缸主体16牵引使第二管道扩撑系统18B运动。

DIC(数字图像相关方法)测试系统7，包括：计算机12、光源10、图像采集器11。光源10对称放置在实验管段1预制裂纹9的上下两侧，图像采集器11安置在预制裂纹9正前侧，图像采集器11可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器11与计算机12相连，通过图像采集器11采集的信息可以传输到计算机12中，并做分析计算。

管道断裂模拟实验的实验方法，如图1至图6所示，采用上述双向液压驱动式管道断裂模拟实验装置，包括下述步骤：

1、将第一拉杆5A通过中轴线与第一锥形块3A以第一固定螺母6A、第二固定螺母6B固定，右端连接液压缸主体16；将第二拉杆5B通过中轴线与第二锥形块3B以第三固定螺母6C、第四固定螺母6D固定，左端连接液压缸主体16；完成第一管道扩撑系统18A、管道扩撑系统18B和动力装置的组装。

2、将含有预制裂纹9的实验管段1套进相连的管道扩撑系统18A和管道扩撑系统18B；然后将实验管段1放置在左下卡圈21A、右下卡圈21B上，实验管段1的左右两端与分别与左下卡圈21A的左端、右下卡圈21B右端对齐；将左上卡圈20A、右上卡圈20B分别对齐左下卡圈21A、右下卡圈21B放置在实验管段1上，同时用螺栓固定；最后分别在实验管段1内壁的左右两端安装第一橡胶卡圈17A、第二橡胶卡圈17B，并用螺钉固定在实验管段1上。

3、将光源10对称放置在实验管段1预制裂纹9的上下两侧，保证光源10的照射范围能够覆盖预制裂纹9，然后将图像采集器11安置在预制裂纹9的正前侧，使图像采集器11可以完全录制裂纹的扩展过程，图像采集器11与计算机12相连，完成DIC测试系统7的安装。

4、实验过程中，液压缸主体16提供动力，控制第一拉杆5A、第二拉杆5B同时向外运动，第一拉杆5A、第二拉杆5B分别通过固定螺母带动第一锥形块3A、第二锥形块3B向外沿轴向缓慢运动，同时第一扇形块2A。第二扇形块2B因为第一锥形块3A、第二锥形块3B的挤压沿径向向外缓慢扩展，第一弹性卡圈22A、第二弹性卡圈22B随之伸长，仍将八块第一扇形块2A、八块第二扇形块2B连接在一起；第一拉杆5A、第二拉杆5B的运动速度，可控制预制裂纹9的扩展速度；图像采集器11记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机12中；计算机12进行相应的后处理。

实施例二

如图7至图10所示，双向丝杠驱动式管道断裂模拟实验装置与实施例一的不同之处在于，采用电动机24替代液压缸主体16，采用第一丝杠23A、第二丝杠23B分别替代第一拉杆5A、第二拉杆5B；第一丝杠23A、第二丝杠23B与第一锥形块3A、第二锥形块3B分别依靠螺纹连接。

管道断裂模拟实验的实验方法，如图7至图10所示，采用上述双向丝杠驱动式管道断裂模拟实验装置，与实施例一的不同之处在于：实验过程中，电动机23将旋转运动转化成为第一锥形块3A、第二锥形块3B绕轴向旋转运动和沿轴向向外的直线运动，同时第一扇形块2A、第二扇形块2B因为第一锥形块3A、第二锥形块3B的挤压沿径向向外缓慢扩展，预制裂纹9因为第一扇形块2A、第二扇形块2B的扩张运动也开始缓慢扩展，第一弹性卡圈22A、第二弹性卡圈22B随之伸长，仍将八块第一扇形块2A、第二扇形块2B连接在一起。通过控制第一丝杠23A、第二丝杠23B的运动速度，可控制预制裂纹9的扩展速度。图像采集器11记录裂纹扩展全过程并传输到相连的计算机12中。计算机12进行相应的后处理。