缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置及其试验方法与流程

本发明涉及缆索系泊类结构测试装置技术领域，尤其是一种缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置及其试验方法。

背景技术：

缆索系泊类结构由于其优良的性能被广泛应用于海洋工程、桥梁工程和建筑工程等行业，比如海洋石油981深水半潜式钻井平台的系泊设备和港珠澳大桥斜拉索的主承构件就是缆索。由于其在实际服役过程中长期受到海水、盐雾和湿热环境作用，在风浪、台风、工作载荷等复杂交变工况持续作用下极易出现疲劳损伤，进而产生裂纹或者完全断裂等现象，严重威胁工程装备的结构安全。分析原因发现一般涂有防腐层的缆索结构，在海水、温度、载荷联合作用下易发生防腐层脱落，海水浸入内部，发生腐蚀疲劳失效。目前，对于缆索系泊类设备的结构性能考核主要关注空气室温环境中单向工作载荷的疲劳强度和静强度试验，没有考虑多物理层耦合作用下对结构的安全性能影响，导致缆索在使用过程中会出现突然失效现象，对装备带来很大的安全风险。因此研制一种在工作载荷、风浪载、水流、温度和盐度等多物理场耦合作用缆索系泊类结构测试装置，在实验室内实现对其密封防腐性能安全考核是本发明要解决的主要问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足进行研究和改进，提出一种缆索系泊类结构在工作载荷、风载、水流、温度和盐度等多物理场耦合作用下的测试装置，以真实环境考核其结构安全性能，确保其在服役期间不会因环境因素的影响而引起腐蚀疲劳失效。本发明解决了现有装置无法准确考核缆索结构的密封防腐问题，有效提高了缆索系泊类结构的安全可靠性，安装操作方便，自动控制，大大提高试验效率，同时本发明适用范围广，还可应用于钢丝绳、吊带和化纤绳索。

本发明所采用的技术方案如下：

一种缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置，包括底架，底架上表面一端安装有立架，底架上表面另一端与立架顶部之间安装工作载荷模拟系统，工作载荷模拟系统的具体结构为：包括主承载反力架，其两端分别支撑于底架和立架上，主承载反力架的头部通过筋板延伸有一个箱体，箱体与主承载反力架的轴向垂直，箱体前端面上通过油缸滑动支座安装有轴向液压油缸，主承载反力架和轴向液压油缸的内部均开有供缆索试件贯穿的内腔；位于轴向液压油缸两侧的箱体上安装有风浪载模拟系统；底架一侧安装有与主承载反力架连接的水循环系统，水循环系统上安装有温度模拟系统和盐度模拟系统，底架另一侧安装有油源动力系统和控制监测台)；还包括安装于底架尾部一旁的接水箱所述接水箱与穿出主承载反力架尾部的缆索试件对接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述主承载反力架的安装结构为：轴向液压油缸前端面上安装压板，压板通过连接螺杆与所述油缸滑动支座轴向固定连接，轴向液压油缸缸体上安装有轴向位移传感器，轴向液压油缸的活塞杆前端面上安装有轴向载荷传感器；所述缆索试件的头部伸出轴向液压油缸前端面，并通过首部大螺母与轴向载荷传感器旋紧，缆索试件尾部伸出主承载反力架，并通过尾部大螺母以及橡胶密封垫与主承载反力架尾端面固定。

风浪载模拟系统的安装结构为：包括两个相对设置的横向液压油缸，两个横向液压油缸分别通过一个油缸固定座安装于轴向液压油缸及油缸滑动支座两侧的箱体上，每个横向液压油缸的活塞杆上螺纹连接有一块过渡压头；位于箱体顶面上间隔焊接有两个滚轮支座，每个滚轮支座内通过滚轮轴铰支有一个滚轮，位于滚轮上部的滚轮支座中安装有耳板，滚轮于耳板间装有限位挡板；每个横向液压油缸的缸体上固定安装有一个横向位移传感器。

油缸滑动支座的底部设有槽型底座，槽型底座卡接到所述箱体的头部，位于箱体顶面的槽型底座上间隔开有腰形孔，腰形孔内两侧分别嵌入两个滚轮，腰形孔中部通过两个防脱落螺栓将油缸滑动支座固定于箱体头部。

所述水循环系统包括安装于底架底边的一侧的水箱，水箱顶面上间隔安装有方形法兰盘和冷热离心水泵，位于顶面上两端分别开有抽水口和回水口，水箱一侧面上开有水箱排水口；冷热离心水泵一侧通过硬管连接抽水口，另一侧的出水口连接水流传感器；

主承载反力架上侧面上通过管夹也固定有两段硬管，其中一段硬管的一端与主承载反力架内腔的进水口连接，另一端通过阀门及软管连接至所述水流传感器；另一段硬管的一端连接至主承载反力架的内腔，另一端通过阀门以及软管与所述回水口相连；

主承载反力架的尾端底部设有主承载反力架排水口，主承载反力架排水口上安装有三通阀，三通阀的一个接口连接水深传感器，另一个接口通过软管连接至水箱排水口。

方形法兰盘上安装温度模拟系统和盐度模拟系统，温度模拟系统包括固定在方形法兰盘上的温度传感器和两个电加热器，温度传感器和电加热器均伸入方形法兰盘上的孔浸入水箱中；盐度模拟系统包括固定在方形法兰盘上的海盐溶液添加器，盐度传感器，海盐溶液添加器和盐度传感器伸入方形法兰盘上的孔浸入水箱中。

所述控制监测台通过控制和信号线组分别与工作载荷模拟系统、风浪载模拟系统、水循环系统、温度模拟系统和盐度模拟系统连接；所述油源动力系统通过液压油管组分别与工作载荷模拟系统及风浪载模拟系统连接。

所述立架顶部两侧分别通过一个小旋转轴铰接有一个承接块，两个承接块均与主承载反力架头部下侧设置的坐落靴对接；所述承载反力架尾部下侧通过安装在底架上的一根大旋转轴铰接；位于主承载反力架下方的底架与立架上还那安装有与主承载反力架倾斜角度相同的斜架。

所述主承载反力架的内腔为圆柱形且底部为锥面收口，内腔壁上涂有高温防腐油漆；所述轴向液压油缸为空心油缸，且空心处内壁面和油缸底面涂有高温防腐油漆。

一种缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步：将主承载反力架和轴向液压油缸水平放置，缆索试件的两端穿过轴向液压油缸和主承载反力架的内腔，在主承载反力架尾端安装橡胶密封垫，将尾部大螺母套置在缆索试件的尾部，旋合至压紧橡胶密封垫，将首部大螺母套置在缆索试件的头部，旋合至与轴向载荷传感器相接触；

第二步：控制轴向液压油缸的活塞杆伸出，对缆索试件施加预紧载荷，当轴向载荷传感器上的示数达到初始设定的预紧载荷时，停止活塞杆的伸出；行车吊起主承载反力架的前端及轴向液压油缸绕大旋转轴转动，直至主承载反力架上的坐落靴高于立架的顶端，放下承接块，使其上表面与立架的内侧面垂直，然后再缓慢放下承载反力架的前端和轴向液压油缸，使坐落靴平稳地与承接块接触；

第三步：在环境温度下，对缆索试件件进行n个周期的p1-p2的轴向工作载荷循环加载，循环加载结束后，保持轴向工作载荷为p3；

第四步：检查确认试验装置完全密封后，开启水循环系统，向主承载反力架的内腔注水，水深传感器显示当前水深，当水深达到试验所要求的水深h时，关闭水循环系统；在环境温度状态下，保持轴向工作载荷为p3和水深h一定时间t；

第五步：开启风浪载模拟系统，左侧的横向液压油缸开始顶推缆索试件的顶端向右移动一定距离，然后控制监测台发出反向指令，油源动力系统中的电磁换向阀换向，右侧的横向液压油缸开始顶推，左侧横向液压油缸回缩；当右侧横向液压油缸顶推缆索试件顶端向左移动一定距离时，控制监测台发出反向指令，油源动力系统中的电磁换向阀换向，如此往复，记录循环加载次数，以实现试验件顶端风载位移的测控、自动加载和计数；

第六步：开启水循环系统，控制监测台控制冷热离心水泵按照预设定的流量q向主承载反力架的内腔注水；同时控制阀门使主承载反力架内腔中的水以相同的流量q通过回水口回到水箱中；

第七步：开启盐度模拟系统，控制监测台控制海盐溶液添加器工作，按照预先设定的盐度向水箱中添加海盐溶液，盐度传感器实时监测水箱中水的盐度，当盐度达到预先设定的值时，海盐溶液添加器停止工作；

第八步：开启温度模拟系统，控制监测台控制电加热器工作，温度传感器实时监测水箱中水的温度，当温度达到预先设定的值时，电加热器停止工作；

第九步：记录轴向液压油缸的轴向载荷传感器示值，对缆索试件工作载荷进行监测；记录两个横向液压油缸的横向位移传感器示值，对缆索试件上风载大小进行监测，记录两个横向液压油缸的顶推循环次数，对风载次数进行监测；记录水流传感器示值，对试验过程中水流速度进行监测；记录盐度传感器及温度传感器示值，对试验过程中盐度和温度进行监测；

第十步：对经过上述步骤检测后的缆索试件进行解剖，分析其在多物理场耦合作用下的密封防腐性能。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，以真实环境考核其结构安全性能，并且根据不同缆索系泊结构的服役状态自由配置环境试验参数，动态监测缆索的工作张力、风载大小、频率和次数、水流量，盐度和温度，从而实现对影响缆索系泊类结构性能因素的定量表征，对在极端恶劣工况下服役的缆索系泊类结构的结构安全可靠性具有重要的指导意义。本发明解决了现有装置无法考核的实际问题，整个发明装置安装操作方便，自动控制，大大提高试验效率，同时本发明还可推广应用于钢丝绳、吊带和化纤绳索。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中安装连接控制和信号线组及液压油管组后的正视图。

图3为图2的俯视图。

图4为图1中i部的放大图。

图5为图1中ii部的放大图。

图6为图3中iii部的立体放大图。

其中：1、底架；2、主承载反力架；3、油缸滑动支座；4、连接螺杆；5、压板；6、首部大螺母；7、缆索试件；8、轴向载荷传感器；9、轴向位移传感器；10、轴向液压油缸；11、油缸固定座；12、箱体；13、进水口；14、硬管；15、管夹；16、软管；17、阀门；18、橡胶密封垫；19、尾部大螺母；20、接水箱；21、主承载反力架排水口；22、三通阀；23、水深传感器；24、大旋转轴；25、控制和信号线组；26、控制监测台；27、油源动力系统；28、液压油管组；29、横向位移传感器；30、横向液压油缸；31、过渡压头；32、螺钉；33、螺栓；34、立架；35、小旋转轴；36、承接块；37、坐落靴；38、腰形孔；39、滚轮支座；40、滚轮；41、限位挡板；42、滚轮轴；43、防脱落螺栓；44、水箱；45、冷热离心水泵；46、水流传感器；47、方形法兰盘；48、盐度传感器；49、海盐溶液添加器；50、温度传感器；51、电加热器；52、回水口；53、水箱排水口；54、抽水口。

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、图2和图3所示，本实施例的缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置，包括底架1，底架1上表面一端安装有立架34，底架1上表面另一端与立架34顶部之间安装工作载荷模拟系统，工作载荷模拟系统的具体结构为：包括主承载反力架2，其两端分别支撑于底架1和立架34上，主承载反力架2的头部通过筋板延伸有一个箱体12，箱体12与主承载反力架2的轴向垂直，箱体12前端面上通过油缸滑动支座3安装有轴向液压油缸10，主承载反力架2和轴向液压油缸10的内部均开有供缆索试件7贯穿的内腔；位于轴向液压油缸10两侧的箱体12上安装有风浪载模拟系统；底架1一侧安装有与主承载反力架2连接的水循环系统，水循环系统上安装有温度模拟系统和盐度模拟系统，底架1另一侧安装有油源动力系统27和控制监测台26；还包括安装于底架1尾部一旁的接水箱20所述接水箱20与穿出主承载反力架2尾部的缆索试件7对接。

主承载反力架2的安装结构为：轴向液压油缸10前端面上安装压板5，压板5通过连接螺杆4与油缸滑动支座3轴向固定连接，轴向液压油缸10缸体上安装有轴向位移传感器9，轴向液压油缸10的活塞杆前端面上安装有轴向载荷传感器8；缆索试件7的头部伸出轴向液压油缸10前端面，并通过首部大螺母6与轴向载荷传感器8旋紧，缆索试件7尾部伸出主承载反力架2，并通过尾部大螺母19以及橡胶密封垫18与主承载反力架2尾端面固定。

如图4和图5所示，风浪载模拟系统的安装结构为：包括两个相对设置的横向液压油缸30，两个横向液压油缸30分别通过一个油缸固定座11安装于轴向液压油缸10及油缸滑动支座3两侧的箱体12上，每个横向液压油缸30的活塞杆上螺纹连接有一块过渡压头31；位于箱体12顶面上间隔焊接有两个滚轮支座39，每个滚轮支座39内通过滚轮轴42铰支有一个滚轮40，位于滚轮40上部的滚轮支座39中安装有耳板，滚轮40于耳板间装有限位挡板41；每个横向液压油缸30的缸体上固定安装有一个横向位移传感器29。

油缸滑动支座3的底部设有槽型底座，槽型底座卡接到箱体12的头部，位于箱体12顶面的槽型底座上间隔开有腰形孔38，腰形孔38内两侧分别嵌入两个滚轮40，腰形孔38中部通过两个防脱落螺栓43将油缸滑动支座3固定于箱体12头部。

如图6所示，水循环系统包括安装于底架1底边的一侧的水箱44，水箱44顶面上间隔安装有方形法兰盘47和冷热离心水泵45，位于顶面上两端分别开有抽水口54和回水口52，水箱44一侧面上开有水箱排水口53；冷热离心水泵45一侧通过硬管14连接抽水口54，另一侧的出水口连接水流传感器46；

主承载反力架2上侧面上通过管夹15也固定有两段硬管14，其中一段硬管14的一端与主承载反力架2内腔的进水口13连接，另一端通过阀门17及软管16连接至水流传感器46；另一段硬管14的一端连接至主承载反力架2的内腔，另一端通过阀门17以及软管16与回水口52相连；

主承载反力架2的尾端底部设有主承载反力架排水口21，主承载反力架排水口21上安装有三通阀22，三通阀22的一个接口连接水深传感器23，另一个接口通过软管16连接至水箱排水口53。

方形法兰盘47上安装温度模拟系统和盐度模拟系统，温度模拟系统包括固定在方形法兰盘47上的温度传感器50和两个电加热器51，温度传感器50和电加热器51均伸入方形法兰盘47上的孔浸入水箱44中；盐度模拟系统包括固定在方形法兰盘47上的海盐溶液添加器49，盐度传感器48，海盐溶液添加器49和盐度传感器48伸入方形法兰盘47上的孔浸入水箱44中。

控制监测台26通过控制和信号线组25分别与工作载荷模拟系统、风浪载模拟系统、水循环系统、温度模拟系统和盐度模拟系统连接；油源动力系统27通过液压油管组28分别与工作载荷模拟系统及风浪载模拟系统连接。

立架34顶部两侧分别通过一个小旋转轴35铰接有一个承接块36，两个承接块36均与主承载反力架2头部下侧设置的坐落靴37对接；承载反力架2尾部下侧通过安装在底架1上的一根大旋转轴24铰接；位于主承载反力架2下方的底架1与立架34上还那安装有与主承载反力架2倾斜角度相同的斜架。

主承载反力架2的内腔为圆柱形且底部为锥面收口，内腔壁上涂有高温防腐油漆；轴向液压油缸10为空心油缸，且空心处内壁面和油缸底面涂有高温防腐油漆。

上述测试装置的安装结构工作原理：

油源动力系统27为轴向液压油缸10和两个横向液压油缸30提供油源动力；控制监测台26控制工作载荷模拟系统，风浪载模拟系统，水循环系统，温度模拟系统和盐度模拟系统的启动和停止，并监测试验过程中的各个试验参数。

两个横向液压油缸30通过螺栓33连接在油缸固定座11上，两个过渡压头31通过其自身外螺纹与横向液压油缸30的活塞杆相连接；

承接块36放下时，其上表面与立架34的内表面垂直，当承接块36收起时，其下表面与立架34的内表面平行。

其中压板5用螺钉32固定在轴向液压油缸10的缸体前端面，轴向液压油缸10的后端嵌入油缸滑动支座3，连接螺杆4将压板5与油缸滑动支座3连接为一个整体。

本实施例的缆索系泊类结构多物理场耦合作用测试装置的试验方法，包括以下步骤：

第一步：将主承载反力架2和轴向液压油缸10水平放置，缆索试件7的两端穿过轴向液压油缸10和主承载反力架2的内腔，在主承载反力架2尾端安装橡胶密封垫18，将尾部大螺母19套置在缆索试件7的尾部，旋合至压紧橡胶密封垫18，将首部大螺母6套置在缆索试件7的头部，旋合至与轴向载荷传感器8相接触；

第二步：控制轴向液压油缸10的活塞杆伸出，对缆索试件7施加预紧载荷，当轴向载荷传感器8上的示数达到初始设定的预紧载荷时，停止活塞杆的伸出；行车吊起主承载反力架2的前端及轴向液压油缸10绕大旋转轴24转动，直至主承载反力架2上的坐落靴37高于立架34的顶端，放下承接块36，使其上表面与立架34的内侧面垂直，然后再缓慢放下承载反力架2的前端和轴向液压油缸10，使坐落靴37平稳地与承接块36接触；

第三步：在环境温度下，对缆索试件7件进行n个周期的p1-p2的轴向工作载荷循环加载，循环加载结束后，保持轴向工作载荷为p3；

第四步：检查确认试验装置完全密封后，开启水循环系统，向主承载反力架2的内腔注水，水深传感器23显示当前水深，当水深达到试验所要求的水深h时，关闭水循环系统；在环境温度状态下，保持轴向工作载荷为p3和水深h一定时间t；

第五步：开启风浪载模拟系统，左侧的横向液压油缸30开始顶推缆索试件7的顶端向右移动一定距离，然后控制监测台26发出反向指令，油源动力系统27中的电磁换向阀换向，右侧的横向液压油缸30开始顶推，左侧横向液压油缸30回缩；当右侧横向液压油缸30顶推缆索试件7顶端向左移动一定距离时，控制监测台26发出反向指令，油源动力系统27中的电磁换向阀换向，如此往复，记录循环加载次数，以实现试验件顶端风载位移的测控、自动加载和计数；

第六步：开启水循环系统，控制监测台26控制冷热离心水泵45按照预设定的流量q向主承载反力架2的内腔注水；同时控制阀门17使主承载反力架2内腔中的水以相同的流量q通过回水口52回到水箱44中；

第七步：开启盐度模拟系统，控制监测台26控制海盐溶液添加器49工作，按照预先设定的盐度向水箱44中添加海盐溶液，盐度传感器48实时监测水箱44中水的盐度，当盐度达到预先设定的值时，海盐溶液添加器49停止工作；

第八步：开启温度模拟系统，控制监测台26控制电加热器51工作，温度传感器50实时监测水箱44中水的温度，当温度达到预先设定的值时，电加热器51停止工作；

第九步：记录轴向液压油缸10的轴向载荷传感器8示值，对缆索试件7工作载荷进行监测；记录两个横向液压油缸30的横向位移传感器29示值，对缆索试件7上风载大小进行监测，记录两个横向液压油缸30的顶推循环次数，对风载次数进行监测；记录水流传感器46示值，对试验过程中水流速度进行监测；记录盐度传感器48及温度传感器50示值，对试验过程中盐度和温度进行监测；

第十步：对经过上述步骤检测后的缆索试件7进行解剖，分析其在多物理场耦合作用下的密封防腐性能。

改变轴向液压油缸10的加载载荷的大小、横向液压油缸30顶推位移的大小及频率，冷热离心水泵45的流量、海盐溶液各成分密度、温控系统所设定温度，可实现不同工作载荷、不同风载、不同水流速度、不同腐蚀条件以及不同温度工况下缆索系泊类结构的在役状态条件。

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。