水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置及方法
2023-05-04 07:55:01 1
水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置及方法
【專利摘要】水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置，包括相互獨立設置的測量單元及修正單元，所述測量單元包括壓力筒，充滿液體的待測耐壓殼體置於壓力筒內，待測耐壓殼體通過管路與位於壓力筒外部的容積變化讀數器連通，壓力筒上裝有壓力表；所述修正單元由另外一組待測耐壓殼體、容積變化讀數器以及二者之間的連接管路組成。本發明還提供了通過測量靜水壓力下耐壓結構隨時間累積的容積變化量來間接測量耐壓結構長時間累積變形的測量方法，通過本發明間接測量得出的耐壓結構的結構變形值、應力、應變等力學參數隨時間的變化規律，能夠用於研究水下耐壓結構所用材料的蠕變特性或粘彈性特性，整個測量裝置結構簡單，測量直觀便捷，維護方便，且測量精度高。
【專利說明】水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置及方法【技術領域】
[0001]本發明涉及水下耐壓結構靜水外壓試驗【技術領域】，具體涉及用於測量水下耐壓結構在靜水壓力下長時間累積變形並且通過長時間累積變形的測量結果來研究水下耐壓結構材料的抗壓蠕變特性或粘彈性特性的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]水下耐壓結構是水下機器人、載人潛水器、深海空間站和潛艇等水下運載作業平臺的重要組成部分，用於承受深海高壓載荷並保障人員及設備的安全。目前，水下耐壓結構靜水外壓力試驗主要採用電阻應變片等傳感器測量方法，通過測量水下耐壓殼體關鍵部位的應變並將其換算為結構應力；而陸地上耐壓管道(內壓)的蠕變測量則通常採用蠕變測點測量法和蠕變測量標記測量法，前者使用千分尺在測點之間測量變形，後者使用特製的鋼帶尺纏繞在鋼管或聯箱體被測截面外表面上，來測量該部位的增值。對於電阻應變片等傳感器測量方法，由於浸泡在水中的電阻應變片容易受潮老化、性能發生蠕變導致使用壽命低，不適用於水下耐壓結構的長時間變形的測量，並且電阻應變片測量位置為局部測量，而材料的蠕變特性是一種全結構的變形，因此，傳統的電阻應變片等傳感器測量方法無法完成水下耐壓結構的蠕變(或粘彈性)的長期觀測和測量；對於蠕變測點測量法和蠕變測量標記測量法，由於這兩種測量方法只能用於暴露的耐壓管道，而水下耐壓結構的長期累積變形試驗需要在壓力筒中進行，因此傳統的陸地上耐壓管道(內壓)的蠕變測量方法也無法適應水下耐壓結構試驗過程中累積變形的測量。
【發明內容】
[0003]本 申請人:針對現有技術中的上述缺點進行改進，提供一種水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置及方法，其能夠實現靜水壓力下水下耐壓結構的容積隨時間的變化規律的測量，測量方便、準確，且基於容積變化測量結果通過數學換算能夠得出靜水壓力下耐壓結構的長時間累積變形，能夠用於研究耐壓結構材料的蠕變特性或粘彈性特性。
[0004]本發明的技術方案如下:
[0005]本發明之水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置，包括相互獨立設置的測量單元及修正單元，所述測量單元包括用於模擬深海壓力環境的壓力筒，待測耐壓殼體置於壓力筒內，待測耐壓殼體內充滿液體，且待測耐壓殼體通過管路一與位於壓力筒外部的容積變化讀數器一連通，壓力筒連接有注水管路和排水管路，所述注水管路上設有加壓泵及控制閥一，壓力筒上裝有壓力表，所述排水管路上設有控制閥二；所述修正單元包括對比耐壓殼體，對比耐壓殼體內充滿液體，且對比耐壓殼體通過管路二與位於對比耐壓殼體外部的容積變化讀數器二連通；所述修正單元中的對比耐壓殼體、管路二及容積變化讀數器二的結構分別與所述測量單元中的待測耐壓殼體、管路一及容積變化讀數器一相同。
[0006]本發明之水下耐壓結構長時間累積變形的測量方法，包含以下步驟:
[0007]第一步，所述注水管路及所述排水管路均處於關閉狀態，在待測耐壓殼體不承受靜水壓力的情況下，記錄下容積變化讀數器一內自由液面所在的刻度值H0 ；
[0008]第二步，打開所述注水管路，所述排水管路仍處於關閉狀態，通過所述注水管路對壓力筒注水施加靜水壓力，觀察壓力表讀數，當壓力筒內壓力達到目標壓力P1時，關閉所述注水管路，記錄下此時容積變化讀數器一內自由液面所在的刻度值H1 ;同步調節所述修正單元中容積變化讀數器二的自由液面處於刻度值H1位置；
[0009]第三步，保持壓力筒的壓力處於目標壓力P1下&時間後，記錄下此時容積變化讀數器一內自由液面所在的刻度值H2和容積變化讀數器二內自由液面所在的刻度值H3 ；
[0010]第四步，計算待測耐壓殼體處於恆定靜水壓力P1 Tt1時間後的容積變化值AV:用第三步測得的刻度值仏與第二步測得的刻度值氏的差值乘以容積變化讀數器一的截面積；
[0011]第五步，對第四步計算得到的容積變化值Λ V/進行修正:計算對比耐壓殼體在不承受靜水外壓的情況下經過h時間後由溫度變化導致的容積變化值Λ V1"，即用刻度值H3與刻度值H1的差值乘以容積變化讀數器二的截面積；Λ V/與Λ V1"的差值即為完全由靜水壓力P1導致的隨時間h累積的容積變化值Λ V1 ；
[0012]第六步，每隔一定的時間\重複上述第三步驟至第五步驟，得到一組靜水壓力P1下的由容積變化值Λ Vi和對應的時間\組成的數據；
[0013]第七步，對第六步中測得的一組數據(AVpti)採用數學方法進行擬合，得出待測耐壓殼體在靜水壓力P1下隨時間累積的容積變化與時間的關係函數，根據待測耐壓殼體結構參數與容積的幾何關係以及待測耐壓殼體的材料本構關係，可換算出相應的ti時間時待測耐壓殼體的結構變形值、應變、應力，由此得到待測耐壓殼體的結構變形值、應變、應力在靜水壓力P1下隨時間的變化規律。
[0014]其進一步技術方案為:
[0015]改變所述靜水壓力P1至P2、P3……Pn，重複所述第二至第七步驟，得到不同靜水壓力下待測耐壓殼體的容積、結構變形值、應變、應力隨時間的變化規律。
[0016]取待測耐壓殼體在至少兩種靜水壓力下的容積與時間構成的組數據，通過數學方法擬合出待測耐壓殼體所用材料的蠕變規律。
[0017]本發明的技術效果:
[0018]本發明通過將測量目標由傳統的水下耐壓結構的變形量轉換為耐壓結構在靜水壓力下的長時間累積的容積變化量，將測量目標進行了放大，由此不僅能夠通過測得的容積變化量通過數學換算以及數學擬合得出耐壓結構的集合結構變形、應力、應變隨時間的變化規律，而且能夠進一步通過數學換算和擬合得出耐壓結構所用材料的抗壓蠕變特性或粘彈性特性，另一方面，克服了傳統的電阻應變片等傳感器測量方法因電阻應變片使用壽命短而無法適用於水下耐壓結構長時間累積變形的測量以及電阻應變片測量位置的局部性的缺陷；本發明所述測量裝置結構簡單、測量直觀便捷，試驗成本低，維護方便，試驗可持續強，解決了傳統的水下耐壓結構外壓試驗無法測量水下耐壓結構長時間累積變形的技術問題；本發明通過修正裝置的設置，能夠消除由溫度變化導致的測量誤差，提高了測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】[0019]圖1為本發明所述測量單元的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明所述修正單元的結構示意圖。
[0021]圖3為待測耐壓殼體在兩種靜水壓力下的應變一時間曲線圖。
[0022]其中:1、壓力筒；2、待測耐壓殼體；3、管路一 ；4、容積變化讀數器一 ；5、加壓泵；
6、控制閥一 ；7、壓力表；8、制閥二 ；9、對比耐壓殼體；10、管路二 ；11、容積變化讀數器二。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，說明本發明的【具體實施方式】。
[0024]見圖1、圖2，本發明之水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置包括相互獨立設置的測量單元及修正單元，所述測量單元包括用於模擬深海壓力環境的壓力筒1，待測耐壓殼體2置於壓力筒I內，待測耐壓殼體2內充滿不可壓縮的液體，且待測耐壓殼體2通過管路一 3與位於壓力筒I外部的容積變化讀數器一 4連通，壓力筒I連接有注水管路和排水管路，所述注水管路上設有加壓泵5及控制閥一 6，壓力筒I上裝有壓力表7，所述排水管路上設有控制閥二 8，控制閥一 6及控制閥二 8分別用於控制所述注水管路、所述排水管路的開、閉；所述修正單元包括對比耐壓殼體9，對比耐壓殼體9內充滿不可壓縮的液體，且對比耐壓殼體9通過管路二 10與位於對比耐壓殼體9外部的容積變化讀數器二 11連通；所述修正單元中的對比耐壓殼體9、管路二 10及容積變化讀數器二 11的結構分別與測量單元中的待測耐壓殼體2、管路一 3及容積變化讀數器一 4相同，容積變化讀數器一 4及容積變化讀數器二 11為標有刻度的容器，形狀優選為圓柱形細長容器。
[0025]利用本發明之水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置對水下耐壓殼體長時間累積變形進行測量的方法包含以下步驟:
[0026]第一步，所述注水管路及所述排水管路均處於關閉狀態，在待測耐壓殼體2不承受靜水壓力的情況下，記錄下容積變化讀數器一 4內自由液面所在的刻度值Htl ；
[0027]第二步，打開所述注水管路，所述排水管路仍處於關閉狀態，通過所述注水管路對壓力筒I注水施加靜水壓力，觀察壓力表7讀數，當壓力筒I內壓力達到目標壓力P1時，關閉所述注水管路，記錄下此時容積變化讀數器一 4內自由液面所在的刻度值H1 ;同時，同步調節所述修正單元中容積變化讀數器二 11的自由液面處於刻度值H1位置；
[0028]第三步，保持壓力筒I的壓力處於目標壓力P1下&時間後，記錄下此時容積變化讀數器一 4內自由液面所在的刻度值H2和容積變化讀數器二 11內自由液面所在的刻度值H3;
[0029]第四步，計算待測耐壓殼體2處於恆定靜水壓力P1下h時間後的容積變化值Δ V:用第三步測得的刻度值H2與第二步測得的刻度值H1的差值乘以容積變化讀數器一4的截面積，所述乘積值即為Λ V1'；
[0030]第五步，對第四步計算得到的容積變化值Λ V/進行修正:計算對比耐壓殼體9在不承受靜水外壓的情況下經過h時間後由溫度變化導致的容積變化值Λ V1"，即用刻度值H3與刻度值氏的差值乘以容積變化讀數器二 11的截面積，所述乘積值即為Λ V1"；AV與Λ V1"的差值即為完全由靜水壓力P1導致的待測耐壓殼體2隨時間^累積的容積變化值Λ V1 ；
[0031]第六步，每隔一定的時間\重複上述第三步驟至第五步驟，由此得到一組靜水壓力P1下的由容積變化值Λ Vi和對應的時間ti組成的數據(Δvi,ti）其中i = 1,2,……，η ；
[0032]第七步，對第六步中測得的一組數據(AVpti)採用數學方法進行擬合，得出待測耐壓殼體2在靜水壓力P1下隨時間累積的容積變化與時間的關係函數，根據待測耐壓殼體2結構參數與容積的幾何關係以及待測耐壓殼體2的材料本構關係，可換算出相應的\時間時待測耐壓殼體2的結構變形值、應變、應力，由此得到待測耐壓殼體2的結構變形值、應變、應力在靜水壓力P1下隨時間的變化規律。
[0033]具體地，對第六步中測得的一組數據(AVpti)採用數學方法進行擬合，得出待測耐壓殼體2在靜水壓力P1下隨時間累積的容積變化與時間的變化規律，根據第一步驟中的待測耐壓殼體2初始容積Vtl，可以轉化得到待測耐壓殼體2在靜水壓力P1下隨時間累積的容積與時間的變化規律:
[0034]V = f (t)①
[0035]根據待測耐壓殼體2的幾何結構參數與容積的幾何關係以及待測耐壓客體所用材料的本構關係，可換算出待測耐壓結構本體2的結構變形值、應變、應力等力學參數隨時間的變化規律，如:
[0036]r = f' (f (t))②
[0037]ε = f" (f (t))③
[0038]式中:r表示待測耐壓殼體2結構的幾何參數之一，例如水下耐壓球殼的半徑；ε表示待測耐壓殼體2具體位置在特定方向上的應變值，f'、f"為相應的函數關係。
[0039]進一步地，通過改變所述靜水壓力P1至P2、P3……Pn，重複所述第二至第七步驟，能夠得到不同靜水壓力下待測耐壓殼體2的容積、結構變形值、應變、應力隨時間的變化規律，用於待測耐壓殼體2結構材料的蠕變特性或粘彈性特性研究。
[0040]取待測耐壓殼體2在至少兩種靜水壓力下的結構變形值、應變、應力與時間的兩組數據，通過數學方法擬合出待測耐壓殼體2所用材料的蠕變規律。
[0041]以水下耐壓殼體的兩種典型結構:金屬精製球殼和環肋圓柱殼為示例，說明如何通過本發明所述測量裝置及測量方法來得出靜水壓力下耐壓殼體的長時間累積變形，並由此得出耐壓結構材料的蠕變特性或粘彈性特性。
[0042]取待測耐壓殼體2的金屬材料的蠕變規律如下式:
[0043]ε c = A1 σ ntm蠕變第一階段④
[0044]ε。= A2 σ nt蠕變第二階段⑤
[0045]式中:A、n、m均為需要通過測量結果進行擬合計算的係數，ε e為蠕變應變，σ為相應靜水壓力下水下耐壓殼體的應力。
[0046]按照本發明之水下耐壓結構長時間累積變形的測量方法所述第一步至第六步驟，得到一組靜水壓力P1下的由容積變化值Λ Vi和對應的時間ti組成的數據(Λ Vi, ti)，根據第一步驟中的待測耐壓殼體2初始容積Vtl，可以轉化得到待測耐壓殼體2在靜水壓力P1下由容積值Vi和對應的時間\組成的數據(Vi, \)，進行足夠長時間的試驗確保待測耐壓殼體2進入了蠕變第二階段；然後，改變所述靜水壓力P1至P2，在靜水壓力P2下重複所述第二步至第六步驟，得到待測耐壓殼體2在靜水壓力P2下由容積值V/和對應的時間ti組成的數據(V/，\)，同樣得，可以通過試驗測量其他靜水壓力下的容積與時間的數據，為了簡要闡述，選用兩種靜水壓力PpP2來做說明。
[0047]當待測耐壓殼體2為球殼時，在恆定靜水壓力P1和P2下分別經歷時間tk後，此時，球殼在靜水壓力P1和P2的容積值分別為\和vk』，球殼靜水壓力P1和P2的半徑rk和rk』、應變分別為:
【權利要求】
1.水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置，其特徵在於:包括相互獨立設置的測量單元及修正單元，所述測量單元包括用於模擬深海壓力環境的壓力筒(I)，待測耐壓殼體(2)置於壓力筒(I)內，待測耐壓殼體(2)內充滿液體，且待測耐壓殼體(2)通過管路一(3)與位於壓力筒(I)外部的容積變化讀數器一(4)連通，壓力筒(I)連接有注水管路和排水管路，所述注水管路上設有加壓泵(5)及控制閥一 (6)，壓力筒(I)上裝有壓力表(7)，所述排水管路上設有控制閥二(8);所述修正單元包括對比耐壓殼體(9)，對比耐壓殼體(9)內充滿液體，且對比耐壓殼體(9)通過管路二(10)與位於對比耐壓殼體(9)外部的容積變化讀數器二(11)連通；所述修正單元中的對比耐壓殼體(9)、管路二(10)及容積變化讀數器二(11)的結構分別與所述測量單元中的待測耐壓殼體(2)、管路一(3)及容積變化讀數器一⑷相同。
2.利用權利要求1所述的水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置進行水下耐壓結構長時間累積變形測量的方法，其特徵在於，包含以下步驟: 第一步，所述注水管路及所述排水管路均處於關閉狀態，在待測耐壓殼體(2)不承受靜水壓力的情況下，記錄下容積變化讀數器一(4)內自由液面所在的刻度值H。； 第二步，打開所述注水管路，所述排水管路仍處於關閉狀態，通過所述注水管路對壓力筒⑴注水施加靜水壓力，觀察壓力表(7)讀數，當壓力筒⑴內壓力達到目標壓力P1時，關閉所述注水管路，記錄下此時容積變化讀數器一(4)內自由液面所在的刻度值H1;同步調節所述修正單元中容積變化讀數器二(11)的自由液面處於刻度值H1位置； 第三步，保持壓力筒(I)的壓力處於目標壓力P1下h時間後，記錄下此時容積變化讀數器一(4)內自由液面所在的刻度值H2和容積變化讀數器二(11)內自由液面所在的刻度值H3; 第四步，計算待測耐壓殼體(2)處於恆定靜水壓力P1 Tt1時間後的容積變化值Λ V/:用第三步測得的刻度值H2與第二步測得的刻度值H1的差值乘以容積變化讀數器一(4)的截面積； 第五步，對第四步計算得到的容積變化值Λ V/進行修正:計算對比耐壓殼體(9)在不承受靜水外壓的情況下經過h時間後由溫度變化導致的容積變化值Λ V1"，即用刻度值H3與刻度值H1的差值乘以容積變化讀數器二(11)的截面積；Λ V/與Λ V1"的差值即為完全由靜水壓力P1導致的隨時間h累積的容積變化值Λ V1 ； 第六步，每隔一定的時間ti重複上述第三步驟至第五步驟，得到一組靜水壓力P1下的由容積變化值Λ Vi和對應的時間\組成的數據； 第七步，對第六步中測得的一組數據(AVi, 採用數學方法進行擬合，得出待測耐壓殼體(2)在靜水壓力P1下隨時間累積的容積變化與時間的關係函數，根據待測耐壓殼體(2)結構參數與容積的幾何關係以及待測耐壓殼體(2)的材料本構關係，可換算出相應的\時間時待測耐壓殼體(2)的結構變形值、應變、應力，由此得到待測耐壓殼體(2)的結構變形值、應變、應力在靜水壓力P1下隨時間的變化規律。
3.按權利要求2所述的水下耐壓結構長時間累積變形的測量方法，其特徵在於:改變所述靜水壓力P1至p2、p3……Pn，重複所述第二至第七步驟，得到不同靜水壓力下待測耐壓殼體(2)的容積、結構變形值、應變、應力隨時間的變化規律。
4.按權利要求3所述的水下耐壓結構長時間累積變形的測量裝置，其特徵在於:取待測耐壓殼體(2)在至少兩種靜水壓力下的容積與時間構成的組數據，通過數學方法擬合出待測耐壓殼體(2) 所用材料的蠕變規律。
【文檔編號】G01N19/00GK104019790SQ201410263669
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】張愛鋒, 屈平, 徐強, 張博文 申請人:中國船舶重工集團公司第七○二研究所