海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备及试验方法
专利汇可以提供海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备及试验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种海洋 气候 环境-拉、压、弯 载荷 耦合试验设备及试验方法，试验设备包括主机，设置于可控温控湿的地下密闭控制室内并用于驱动控制主机运行的液压站及其控制系统，设置于地面控制室并用于控制试验条件的 软件 控制系统，且主机、液压站及其控制系统和软件控制系统三分离布设；主机上部结构暴露于海洋大气环境中，主机下部结构位于地下密闭控制室内。试验方法的主要步骤为采用该试验设备进行海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验。本发明不仅可针对试件在海洋大气户外环境下开展拉、压、弯载荷耦合试验，而不局限于实验室模拟环境试验，而且试验设备能够在海洋气候环境中使用半年以上，确保海洋环境耦合试验可靠、有效地连续开展。，下面是海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备及试验方法专利的具体信息内容。
1.一种海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备，其特征在于：所述试验设备包括主机（19），设置于可控温控湿的地下密闭控制室（17）内并用于驱动控制主机（19）运行的液压站及其控制系统（20），设置于地面控制室（18）并用于控制试验条件的软件控制系统（21），且主机（19）、液压站及其控制系统（20）和软件控制系统（21）三分离布设；
所述主机（19）上部结构暴露于海洋大气环境中，所述主机（19）上部结构包括四面镂空的框架，框架包括上横梁（1）和升降柱（5），升降柱（5）上端连接上横梁（1），升降柱（5）下端穿过支撑台（10）并连接升降缸（11）；在框架内竖直设置有可拆卸的并用于夹持试件（24）的拉伸夹具（23）、压缩夹具（25）、弯曲夹具（27），各夹具包括上夹头（2）和下夹头（3），上夹头（2）连接上横梁（1），下夹头（3）连接夹杆（4）上端，夹杆（4）下端连接载荷传感器（6），载荷传感器（6）连接中横梁（8），由上横梁（1）、升降柱（5）、中横梁（8）共同构成镂空式第一闭环框架结构；
所述主机（19）下部结构位于地下密闭控制室（17）内，所述主机（19）下部结构包括中横梁（8）和立架（9），立架（9）上端连接中横梁（8），立架（9）下端固定连接在支撑台（10）上，在中横梁（8）上设置有导向孔，升降柱（5）活动穿设于导向孔内，升降柱（5）与导向孔的配合方式为小间隙配合，间隙量为0.1-0.3mm，由升降柱（5）、中横梁（8）、立架（9）和支撑台（10）共同构成第二闭环框架结构；
在上横梁（1）表面设置有镀铬层，在上横梁（1）的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在升降柱（5）表面设置有镀铬层，在升降柱（5）的镀铬层表面设置有防锈油；在各夹具表面设置有镀锌层，在各夹具非承力部分的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在中横梁（8）上设置有用于锁紧中横梁（8）和升降柱（5）的锁紧机构（7），且当锁紧机构（7）处于锁紧状态时，中横梁（8）、升降柱（5）均被固定，通过液压站及其控制系统（20）驱动夹杆（4）与下夹头（3）同步上升或同步下降以实现对试件（24）的疲劳加载；当锁紧机构（7）处于非锁紧状态时，通过液压站及其控制系统（19）驱动升降柱（5）和上横梁（1）同步上升或同步下降以实现夹具的夹持间距调节；
所述试验设备的试验频率范围为0.01-50HZ，动载荷、静载荷范围为±100KN，有效夹持距离为20-400mm。
2.根据权利要求1所述的试验设备，其特征在于：所述液压站的油路系统通过电磁阀组（12）控制油路开合；所述液压站及其控制系统（20）通过驱动伺服机构带动所述下夹头（3）运行；伺服机构包括伺服阀（13），伺服阀（13）同时连接液压站、所述软件控制系统（21）和伺服作动器（14），伺服作动器（14）位于所述中横梁（8）下方并连接所述下夹头（3），伺服作动器（14）下方连接位移传感器（15）；所述液压站及其控制系统（20）供应的液压油经过伺服阀（13）进入伺服作动器（14），通过所述软件控制系统（21）输入控制信号控制伺服作动器（14）作往复直线运动并带动所述下夹头（3）上下往复运动，实现对试件（24）的疲劳加载。
3.根据权利要求2所述的试验设备，其特征在于：所述液压站及其控制系统（20）连接所述升降缸（11），所述升降缸（11）连接所述升降柱（5），所述液压站及其控制系统（20）驱动所述升降缸（11）作往复直线运动并带动所述升降柱（5）和所述上横梁（1）同步上升或同步下降。
4.根据权利要求3所述的试验设备，其特征在于：所述锁紧机构（7）为液压锁紧机构，所述锁紧机构（7）设置于所述中横梁（8）两端，所述升降柱（5）为相互平行的符合强度要求的双立柱，所述立架（9）为符合强度要求的钢筒体。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的试验设备，其特征在于：所述上横梁（1）、所述升降柱（5）均采用316L不锈钢，所述耐海水有机涂料层采用HJ120改性环氧底漆层+HJ500脂肪族聚氨酯面漆层。
6.一种海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验方法，其特征在于：采用如权利要求1-5任一项所述的试验设备开展环境-拉、压、弯载荷耦合试验，所述试验方法步骤包括：
步骤1：试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将试件一端固定于上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将试件另一端固定于下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中设定好试验条件后开展耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：试件断裂取样
试验过程中试件发生断裂，至少在试件断裂后的3h内取回试件，并将试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述耦合试验包括单种工况载荷耦合试验或多种工况载荷循环耦合试验。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述单种工况载荷耦合试验为海洋气候环境-拉-拉载荷耦合试验、海洋气候环境-拉-压载荷耦合试验、海洋气候环境-压缩载荷耦合试验、海洋气候环境-弯曲载荷耦合试验中的任意一种；所述单种工况载荷耦合试验时间不少于10天，试验过程中，每天按照试验条件加载后将试件自然暴露于海洋气候环境中。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：所述多种工况载荷循环耦合试验包括两种载荷循环作用耦合试验、三种载荷循环作用耦合试验、四种载荷循环作用耦合试验；具体地，所述两种载荷循环作用耦合试验为海洋气候环境-拉-拉+拉-压载荷循环、拉-拉+压缩载荷循环、拉-拉+弯曲载荷循环、拉-压+压缩载荷循环、拉-压+弯曲载荷循环、压缩+弯曲载荷循环的任意一种；所述三种载荷循环作用耦合试验为海洋气候环境-拉-拉+拉-压+压缩载荷循环、拉-拉+拉-压+弯曲载荷循环、拉-拉+压缩+弯曲载荷循环、拉-压+压缩+弯曲载荷循环的任意一种；所述四种载荷循环作用耦合试验为海洋气候环境-拉-拉+拉-压+压缩+弯曲载荷循环。
海洋气候环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备及试验方法
技术领域
背景技术
发明内容
主机下部结构位于地下密闭控制室内，主机下部结构包括中横梁和立架，立架上端连接中横梁，立架下端固定连接在支撑台上，在中横梁上设置有导向孔，升降柱活动穿设于导向孔内，升降柱与导向孔的配合方式为小间隙配合，间隙量为0.1-0.3mm，由升降柱、中横梁、立架和支撑台共同构成第二闭环框架结构；
在上横梁表面设置有镀铬层，在上横梁的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在升降柱表面设置有镀铬层，在升降柱的镀铬层表面设置有防锈油；在夹具表面设置有镀锌层，在夹具非承力部分的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在中横梁上设置有用于锁紧中横梁和升降柱的锁紧机构，且当锁紧机构处于锁紧状态时，中横梁、升降柱均被固定，通过液压站及其控制系统驱动夹杆与下夹头同步上升或同步下降以实现对试件的疲劳加载；当锁紧机构处于非锁紧状态时，通过液压站及其控制系统驱动升降柱和上横梁同步上升或同步下降以实现夹具的夹持间距调节。
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将试件一端固定于上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将试件另一端固定于下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中设定好试验条件后开展耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：试件断裂取样
试验过程中试件发生断裂，至少在试件断裂后的3h内取回试件，并将试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定。
图3为图1中试验设备的拉伸夹具结构图；
图4为图1中试验设备的压缩夹具结构图；
图5为图1中试验设备的弯曲夹具结构图；
图中：1-上横梁、2-上夹头、3-下夹头、4-夹杆、5-升降柱、6-载荷传感器、7-锁紧机构、
8-中横梁、9-立架、10-支撑台、11-升降缸、12-电磁阀组、13-伺服阀、14-伺服作动器、15-位移传感器、16-整机支架、17-地下密闭控制室、18-地面控制室、19-主机、20-液压站及其控制系统、21-软件控制系统、22-地面、23-拉伸夹具、24-试件、25-压缩夹具、26-压头、27-弯曲夹具；
图6为结构钢试件海洋大气环境静态暴露试验3个月断口微观形貌；
图7为结构钢试件海洋大气环境-拉-压载荷耦合试验断口微观形貌；
图8为结构钢试件海洋大气环境-拉-压载荷耦合试验断口宏观形貌；
图9为铝合金试件海洋大气环境静态暴露试验12个月断口微观形貌；
图10为铝合金试件海洋大气环境-弯曲载荷耦合试验断口微观形貌；
图11为30CrMnSiNi2A高强钢海洋气候环境-拉-压载荷耦合试验抗拉强度变化曲线；
图12为7A09高强铝海洋气候环境-弯曲载荷耦合试验最大弯曲力变化曲线。
具体实施方式
20，设置于地面控制室18并用于控制试验条件的软件控制系统21，且主机19、液压站及其控制系统20和软件控制系统21三分离布设；
其中，以地面22作为分界，主机19上部结构暴露于地面22以上的海洋大气环境中，主机
19下部结构位于地面22以下的地下密闭控制室17内；
主机19上部结构包括四面镂空的框架，框架包括上横梁1和升降柱5，升降柱5上端连接上横梁1，升降柱5下端穿过支撑台10并连接升降缸11，支撑台10固定在整机支架15上；在框架内竖直设置有可拆卸的并用于夹持试件24的拉伸夹具23、压缩夹具25、弯曲夹具27，夹具包括上夹头2和下夹头3，上夹头2连接上横梁1，下夹头3连接夹杆4上端，夹杆4下端连接载荷传感器6，载荷传感器6连接中横梁8，由上横梁1、升降柱5、中横梁8共同构成镂空式第一闭环框架结构；
主机19下部结构包括中横梁8和立架9，立架9上端连接中横梁8，立架9下端固定连接在支撑台10上，在中横梁8上设置有导向孔，升降柱5活动穿设于导向孔内，升降柱5与导向孔的配合方式为小间隙配合，间隙量为0.1-0.3mm，由升降柱5、中横梁8、立架9和支撑台10共同构成第二闭环框架结构；
在上横梁1表面设置有镀铬层，在上横梁1的镀铬层表面设置有耐海水有机涂料层；在升降柱5表面设置有镀铬层，在升降柱5的镀铬层表面设置有防锈油；在夹具表面设置有镀锌层，在夹具非承力部分的镀锌层表面设置有耐海水有机涂料层；
在中横梁8上设置有用于锁紧中横梁8和升降柱5的锁紧机构7，且当锁紧机构7处于锁紧状态时，中横梁8、升降柱5均被固定，通过液压站及其控制系统20驱动夹杆4与下夹头3同步上升或同步下降以实现对试件24的疲劳加载；当锁紧机构7处于非锁紧状态时，通过液压站及其控制系统20驱动升降柱5和上横梁1同步上升或同步下降以实现夹具的夹持间距调节；
其中，液压站的油路系统通过电磁阀组12控制油路开合；液压站及其控制系统20通过驱动伺服机构带动下夹头3运行；伺服机构包括伺服阀13，伺服阀13同时连接液压站、软件控制系统21和伺服作动器14，伺服作动器14位于中横梁8下方并连接下夹头3，伺服作动器
14下方连接位移传感器15；液压站及其控制系统20供应的液压油经过伺服阀13进入伺服作动器14，通过软件控制系统21输入控制信号控制伺服作动器14作往复直线运动并带动下夹头3上下往复运动，实现对试件24的疲劳加载；
其中，液压站及其控制系统20连接升降缸11，升降缸11连接升降柱5，液压站及其控制系统20驱动升降缸11作往复直线运动并带动升降柱5和上横梁1同步上升或同步下降。
步骤1：试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将试件一端固定于上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将试件另一端固定于下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中设定好试验条件后开展耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：试件断裂取样
试验过程中试件发生断裂，至少在试件断裂后的3h内取回试件，并将试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定。
步骤1：结构钢试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使拉伸夹具的上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将结构钢试件一端固定于拉伸夹具的上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；
驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将结构钢试件另一端固定于拉伸夹具的下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-压载荷量值、载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-拉-压载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：结构钢试件断裂取样
试验过程中结构钢试件发生断裂，至少在结构钢试件断裂后的3h内取回试件，并将结构钢试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定，结果见图7、图8。
步骤1：铝合金试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使弯曲夹具的上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将铝合金试件一端固定于弯曲夹具的上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；
驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将铝合金试件另一端固定于弯曲夹具的下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于弯曲载荷量值、弯曲载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-弯曲载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：铝合金试件断裂取样
试验过程中铝合金试件发生断裂，至少在铝合金试件断裂后的3h内取回试件，并将铝合金试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定，结果见图10。
步骤1：高强钢试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使拉伸夹具的上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将高强钢试件一端固定于拉伸夹具的上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；
驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将高强钢试件另一端固定于拉伸夹具的下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
根据试件对应的产品在服役中所受的拉-拉载荷确定拉-拉试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-拉载荷量值、拉-拉载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-拉-拉载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
参照本实施例步骤1，根据试件对应的产品在服役中所受的拉-压载荷确定拉-压试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-压载荷量值、拉-压载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-拉-压载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
前述环境-拉-拉载荷耦合试验与环境-拉-压载荷耦合试验循环进行一定时间后，可取下试件对其力学性能、疲劳性能、电化学性能、金相显微组织、能谱等性能进行检测；或按前述环境-拉-拉载荷耦合试验与环境-拉-压载荷耦合试验循环进行，直至试件发生断裂，模拟试件在海洋环境下遭受拉-拉、拉-压、压缩和弯曲循环载荷耦合作用；
步骤3：高强钢试件断裂取样
试验过程中，至少在高强钢试件断裂后的3h内取回试件，并将高强钢试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定。
步骤1：试件安装
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使拉伸夹具的上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将试件一端固定于拉伸夹具的上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将试件另一端固定于拉伸夹具的下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：耦合试验
2.1：根据试件对应的产品在服役中所受的拉-拉载荷确定拉-拉试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-拉载荷量值、拉-拉载荷加载时间、频率及波形，然后开展环境-拉-拉载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
2.2：参照本实施例步骤1，根据试件对应的产品在服役中所受的拉-压载荷确定拉-压试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-压载荷量值、拉-压载荷加载时间、频率及波形，然后开展环境-拉-压载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
2.3：取下环境-拉-压载荷耦合试验完毕后的试件，将试验设备的拉伸夹具替换为压缩夹具，参照本实施例步骤1，将试件固定于压缩夹具上，根据试件对应的产品在服役中所受的压缩载荷确定压缩试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于压缩载荷量值、压缩载荷加载时间、频率及波形，然后开展环境-压缩载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
2.4：取下环境-压缩载荷耦合试验完毕后的试件，将试验设备的压缩夹具替换为弯曲夹具，参照本实施例步骤1，将试件固定于弯曲夹具上，根据试件对应的产品在服役中所受的弯曲载荷确定弯曲试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于弯曲载荷量值、弯曲载荷加载时间、频率及波形，然后开展环境-弯曲载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
前述步骤2.1至步骤2.4循环进行一定时间后，可取下试件对其力学性能、疲劳性能、电化学性能、金相显微组织、能谱等性能进行检测；或按前述步骤2.1至步骤2.4循环进行，直至试件发生断裂，模拟试件在海洋环境下遭受拉-拉、拉-压、压缩和弯曲循环载荷耦合作用；
步骤3：试件断裂取样
试验过程中，至少在试件断裂后的3h内取回试件，并将试件放置在干燥器中待测，开展试验结果评定。
先启动地面控制室的软件控制系统，开启地下密闭控制室内的液压站及其控制系统，使拉伸夹具的上夹头、下夹头处于松开状态；驱动升降缸使上横梁和升降柱向上移动，到达合适位置后将30CrMnSiNi2A高强钢试件一端固定于拉伸夹具的上夹头，通过软件控制系统将载荷清零；驱动升降缸使上横梁和升降柱向下移动，到达合适位置后将30CrMnSiNi2A高强钢试件另一端固定于拉伸夹具的下夹头，通过软件控制系统将载荷清零后再对位移清零；
步骤2：拉-压耦合试验
根据30CrMnSiNi2A高强钢试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于拉-压载荷量值、载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-拉-压载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤3：拉伸性能检测
按本实施例步骤1和步骤2对30CrMnSiNi2A高强钢的四个试件分别开展10、20、30、45天的环境-拉-压载荷耦合试验，试验结束后对试件进行拉伸性能检测，试验结果见图11；
步骤4：7A09高强铝试件安装
将试验设备的拉伸夹具替换为弯曲夹具，参照本实施例步骤1对7A09高强铝试件进行安装；
步骤5：弯曲耦合试验
根据7A09高强铝试件对应的产品在服役中所受的工况载荷确定试验条件，在软件控制系统中先设定好试验条件，试验条件包括但不限于弯曲载荷量值、载荷加载时间（每次载荷试验时间为30min）、频率及波形，每天加载1次，然后开展环境-弯曲载荷耦合试验，耦合试验过程中，试验数据由相应的传感器反馈给软件控制系统进行实时监测；
步骤6：弯曲性能检测
按本实施例步骤5对7A09高强铝的四个试件分别开展10、20、30、45天的环境-弯曲载荷耦合试验，试验结束后对试件进行弯曲性能检测，试验结果见图12。
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