高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器的制作方法

本发明涉及一种夹持器，特别是涉及一种高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器

背景技术：

在传统岩土工程力学实验中，常常需要进行力学三轴实验。该实验需要一种专用夹持器，将样品装夹在其中并施加模拟地层压力的围压，然后在两端施加压力，最终通过应力应变关系获得样品的力学参数。

随着技术的发展，传统的三轴力学越来越不能适应现代科学实验的需求。例如，为了施加较大的轴向应力，需要的设备本身也越来越大，动则数吨甚至几十吨，而为了实现某些特殊的功能，例如在ct内扫描三轴的动态图像，需要整体设备重量控制在数十公斤以下，因此，急需超小型化的三轴实验夹持器来满足这样的需求。

本发明通过分离轴向承载与周向承载构件，可以同时实现高围压以及高的轴向载荷。围压可以高达100mpa，轴向载荷可以高达1000kn。通过调整轴向承载与周向承载的碳纤维构件的参数，可以达到更高的围压及轴向载荷。而在实现上述力学参数的同时，整个设备的重量可以控制在几公斤到数十公斤以内。

本发明通过选择高温树脂进行碳纤维缠绕，可以在不高于200℃的环境下工作。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器，其能够承受内部压力及较高的轴向应力，也适用于高温高压的环境，使用方便，易于制造和生产。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器，其特征在于，其包括内筒、轴向承压碳纤维缠绕筒、周向承压碳纤维缠绕筒，轴向承压碳纤维缠绕筒用于承载内筒的轴向应力，轴向承压碳纤维缠绕筒的周向应力趋近于零；周向承压碳纤维缠绕筒用于承载内筒的周向应力，周向承压碳纤维缠绕筒的轴向应力趋近于零。

优选地，所述内筒包括第一轴向承力肩、第一密封段、功能段、第一传力端头、第二传力端头、第二密封段、第二轴向承力肩，第一轴向承力肩与第一传力端头连接，第一密封段位于第一轴向承力肩内，功能段的两端分别与第一轴向承力肩、第二轴向承力肩连接，第二密封段位于第二轴向承力肩内，第二传力端头与第二轴向承力肩连接。

优选地，所述碳纤维缠绕筒为分开的内外两层，分别承担轴向应力和周向应力。

优选地，所述内筒为薄壁圆筒，材质为致密材料，可以自然实现对内部介质的防渗漏功能。

优选地，所述内筒为一体结构或为拼装结构，这样方便根据需要采用不同的内筒材料及内筒制造。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够采用多层碳纤维，实现周向受力与轴向受力分开，在保证质量轻、体积小的前提下，能承受远大于周向应力的轴向应力，适用于高温高压高轴向应力的环境；轴向应力与周向应力分开，不互相影响，质量轻、强度高。

附图说明

图1为本发明高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器的结构示意图。

图2为本发明中内筒的一种结构示意图。

图3为本发明中内筒的另一种结构示意图。

图4为本发明中周向承压碳纤维缠绕的结构示意图。

图5为本发明中轴向承压碳纤维缠绕的结构示意图。

图6为本发明的一种具体使用时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图5所示，本发明高轴向应力碳纤维高压宽温夹持器包括内筒1、轴向承压碳纤维缠绕筒2、周向承压碳纤维缠绕筒3，轴向承压碳纤维缠绕筒2用于承载内筒的轴向应力，轴向承压碳纤维缠绕筒的周向应力趋近于零；周向承压碳纤维缠绕筒用于承载内筒的周向应力，周向承压碳纤维缠绕筒的轴向应力趋近于零。

内筒1包括第一轴向承力肩4、第一密封段5、功能段6、第一传力端头7、第二传力端头8、第二密封段9、第二轴向承力肩10，第一轴向承力肩4与第一传力端头7连接，第一密封段5位于第一轴向承力肩4内，功能段6的两端分别与第一轴向承力肩4、第二轴向承力肩10连接，第二密封段9位于第二轴向承力肩10内，第二传力端头8与第二轴向承力肩10连接。

内筒中间的功能段可以采用一体式的结构，也可采用拼装式(见图3)的结构，可根据具体需要换不同的材料，如金属：钛、铝，或塑料或橡胶等，内筒很薄，不做任何受力要求，仅要求穿透性。因此该夹持器具有x-ray可穿透性。本发明所受的轴向力由轴向承力碳纤维缠绕筒，周向力由周向承压碳纤维缠绕筒承担，所以该部位不会因受力原因而破坏。

功能段的周围缠绕多层碳纤维，利用碳纤维极强的抗压能力，使得周向承压碳纤维缠绕筒的主要承受周向压力。

轴向承力碳纤维缠绕筒是在轴向承力肩上按照一定的角度缠绕碳纤维，使得轴向承力碳纤维缠绕筒主要承受轴向应力。碳纤维对于射线的吸收非常微小，所以可以作为样品的承载容器，在有射线穿透要求的环境下使用。

功能段为一段薄壁的圆筒，材料为钛合金、铝合金、非金属材料等，其主要功能是对内部的介质(气体或液体)起到一个密封的作用，对将缠绕在其外部的周向承载碳纤维缠绕筒起到支撑的作用，在实验时，其较薄的厚度及低密度、无磁性等特性，便于外部探测仪器对其内部的样品进行检测；功能段可选用塑料或橡胶等，由于碳纤维和塑料对磁场无影响，故可配合要求无磁环境的仪器里使用，如核磁共振。

内筒还包括变径段、转接段等，变径段连接功能段与密封段。该段厚度逐渐增加，最后的厚度可以承受设计的内部压力。变径的目的，一是为了便于周向承载碳纤维缠绕筒的收口，二是为了逐渐承担内部的压力载荷。这一部分厚度的变化将不影响功能段内样品的测试。密封段为围压的密封段，内部有光洁度及公差要求，可实现围压的密封。转接段为内螺纹或外螺纹，可利用该螺纹实现与外部设备的联接。轴向力可以通过这两个螺纹传递。承力肩用于缠绕轴向承载碳纤维筒，是重要的受力结构，该部分的外径及厚度决定了本发明可以承受的轴向力。

周向承压碳纤维缠绕筒作用如下：该碳纤维缠绕筒紧密地缠绕在功能段上，经过变径段后收口。内部的压力通过内筒功能段传递到该碳纤维筒上，并由该碳纤维筒主要承载。

轴向承压碳纤维缠绕筒作用如下：该碳纤维缠绕筒绕过内筒的上下承力肩缠绕，用于承担轴向的拉力。通过改变缠绕的参数如缠绕角度、厚度等等，可以实现不同的轴向力承载。

碳纤维缠绕筒对于射线的穿透性、磁场的稳定性均无影响或影响很小，故此，采用碳纤维缠绕在实现力学参数的同时，可以用在对射线穿透性、磁场稳定性有要求的场合，例如ct扫描仪、核磁共振仪等。特别的，内筒功能段为薄壁圆筒，材料可根据使用环境选用。例如钛合金可同时满足高温、高射线穿透、无磁性等要求；橡胶内筒可满足高射线穿透、无磁性、低重量等要求；聚四氟乙烯内筒可同时满足耐腐蚀、高温、高射线穿透、无磁性、低重量等要求。

如图6所示，样品15置于内压为p的内筒功能段处；上端由密封段12密封，有螺纹压盖11压住；下端由可上下移动的活塞13密封；夹持器由下端外螺纹14与外部构件固定；活塞13由外部施加向上的推力，例如，1000kn。此时受力情况：受内压p作用，在内筒及周向承压碳纤维缠绕筒3产生周向内应力，在外部的轴向承压碳纤维缠绕筒2内产生轴向拉应力；受轴向推力作用，由于下端外螺纹14的固定作用，在轴向承压碳纤维缠绕筒2内产生轴向拉应力；在内筒内压p和轴向推力的共同作用下，样品处于三向压应力状态，且轴向压应力可以远大于其它两向应力。

改变碳纤维缠绕时使用的树脂，例如采用高温树脂，本发明即可用在高温的环境下。一般地，本发明的使用温度范围为-40℃～200℃。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。