一种多自由度弹性转动约束模拟系统的制作方法

1.本发明涉及土木工程试验以及船舶与海洋工程试验技术领域，具体涉及一种多自由度弹性转动约束模拟系统。


背景技术：

2.土木工程建筑结构中的钢结构与混凝土结构在极端荷载情况下，在梁
‑
柱连接或钢结构节点处可能发生较大变形，土木工程中梁
‑
柱构件可能尚未完全破坏，但二者连接节点处出现一定的损伤，导致其刚度下降，并非完全的刚性节点，现有技术中，试验模拟主要对连接在节点处的构件的端部节点(即为前述的连接节点)采用固定端进行，相当于把损伤后的刚性节点仍然当做刚性节点进行试验模拟，这种试验模拟方法所获得的构件受力特性，以及构件可能损坏位置的数据缺乏准确性；
3.在梁
‑
柱连接或钢结构节点处可能发生较大变形，各构件连接情况由固定连接转变为弹性约束，当对各构件进行试验模拟时，如构件端部节点采用固定端，则端部无法转动，导致塑性区转移，进而使得构件破坏形态与真实形态有所差别，如采用铰支座，则无法还原相邻构件或节点对其的转动约束，无法模拟由于构件、结构变形或转动导致的构件端部弯矩。
4.此外，深海油气开采不断向深海进发，海底管道与深水立管受到更为极端的荷载作用，需通过试验对结构进行分析，以确保油气开采与输送系统的整体性与安全性，由于真实管道与立管过长，试验中常截取管道一段进行试验或进行缩尺比试验，在加载过程中，管道端部可能由于侧向加载而发生弯曲变形，端部存在一定转角，实际上，该转角会由相邻管道进行约束，为还原真实受力，需对管道端部采用弹性转角约束。
5.为还原试验中结构构件或试验管道的端部转动及由此受到的弯矩与扭矩，现有技术中的普通铰支座无法对进行改进，试验构件水平面、竖向平面转动与轴向扭转提供转动弹性约束，且在试验的过程中，需在互不干扰的情况下对三个转角方向对应的刚度进行自行定义调节，以还原真实结构中，节点于不同转动方向对构件弯曲、扭转约束强度不同的情况。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多自由度弹性转动约束模拟系统，以解决现有技术中的普通铰支座无法对试验构件提供多角度的弹性转角约束问题。
7.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
8.一种多自由度弹性转动约束模拟系统，包括固定设置的定位固定盒，以及用于安装试验构件的法兰，所述定位固定盒与所述法兰之间通过弹性刚度模拟装置连接，弹性刚度模拟装置包括轴向扭转弹性约束组件，以及集成在所述轴向扭转弹性约束组件上的水平向弹性约束配件和竖向弹性约束配件，所述轴向扭转弹性约束组件的一端固定在所述法兰上，另一端设置在所述定位固定盒内且能够相对所述定位固定盒发生扭转转动；
9.其中，所述水平向弹性约束配件与所述轴向扭转弹性约束组件配合形成所述试验构件在水平方向转角的弹性约束，所述竖向弹性约束配件与所述轴向扭转弹性约束组件配合形成所述试验构件在竖直方向转角的弹性约束。
10.作为本发明的一种优选方案，所述轴向扭转弹性约束组件包括扭转连接杆、扭转弹簧、外球壳、横向外伸杆和轴向外伸杆；
11.所述扭转弹簧固定设置在所述定位固定盒内，所述扭转连接杆的一端穿过所述定位固定盒侧壁并连接所述扭转弹簧，所述扭转连接杆的另一端固定在所述外球壳的外壁；
12.所述横向外伸杆设置在所述外球壳内部并横向贯穿所述外球壳，所述轴向外伸杆的一端与所述横向外伸杆垂直连接，所述轴向外伸杆的另一端与所述法兰固定连接，且所述轴向外伸杆与所述扭转连接杆在同一扭转轴线上；
13.其中，所述横向外伸杆能够带动所述外球壳沿所述扭转轴向转动，进而带动所述扭转连接杆压所述扭转轴向转动，以引起所述扭转弹簧发生形变，为所述法兰上的试验构件提供轴向扭转弹性约束。
14.作为本发明的一种优选方案，所述定位固定盒包括盒体，以及开设在所述盒体一侧的扭转孔，所述扭转弹簧设置在盒体内，所述扭转连接杆穿过所述扭转孔与所述扭转弹簧连接，所述扭转弹簧用于在所述扭转连接杆转动时形成轴向扭转弹性约束。
15.作为本发明的一种优选方案，所述扭转孔的孔径与所述扭转连接杆的杆径大小相当，以使得所述扭转连接杆能够在所述扭转孔转动且不发生侧向偏移。
16.作为本发明的一种优选方案，所述水平向弹性约束配件包括横向弯曲弹簧和设置在所述外球壳上的水平活动槽，所述横向外伸杆的两端伸出所述水平活动槽至所述外球壳外部，且所述横向外伸杆能够在所述水平活动槽内沿水平方向进行转角运动，且所述横向外伸杆是以所述轴向外伸杆和所述横向外伸杆的连接处为中心进行水平向的转角运动，且所述横向外伸杆不发生非水平方向的偏移；
17.所述横向外伸杆的一端通过一所述横向弯曲弹簧与所述扭转连接杆一侧面连接，所述横向外伸杆的另一端通过另一所述横向弯曲弹簧与所述扭转连接杆的另一正相对侧面连接，且所述扭转连接杆两侧的所述横向弯曲弹簧关于所述扭转连接杆轴对称；
18.其中，所述横向外伸杆在水平方向转动时引起所述横向弯曲弹簧发生形变，为所述法兰上的试验构件提供水平向转角的弹性约束。
19.作为本发明的一种优选方案，所述竖向弹性约束配件包括竖向限位件和竖向弯曲弹簧，所述竖向限位件的两端纵向贯穿所述外球壳的侧壁，所述竖向限位件与所述横向外伸杆固定连接，且所述竖向限位件能够沿纵向轴转动；
20.所述竖向限位件的一端通过一所述竖向弯曲弹簧与所述轴向外伸杆的一侧面连接，所述竖向限位件的另一端通过另一所述竖向弯曲弹簧与所述轴向外伸杆的另一正相对侧面连接，且所述轴向外伸杆两侧的所述竖向弯曲弹簧关于所述轴向外伸杆轴对称；
21.且所述轴向外伸杆的端部与所述横向外伸杆转动连接，所述轴向外伸杆能够绕所述横向外伸杆在竖直方向上转动，以引起所述竖向弯曲弹簧发生形变，为所述法兰上的试验构件提供竖直方向转角的弹性约束，且所述轴向外伸杆沿所述横向外伸杆轴向不能发生位移。
22.作为本发明的一种优选方案，所述竖向限位件包括半球壳，所述半球壳位于所述
外球壳的内部且与所述外球壳的内壁不接触，且在所述半球壳和所述外球壳之间形成有供所述半球壳在水平方向上转角运动的空间；
23.在所述半球壳竖直方向的两侧壁均固定连接有一根限位杆，在所述外球壳竖直方向的侧壁设置有一对杆孔，每一所述限位杆各设置在一个所述杆孔内，且所述限位杆能够在杆孔内自转；
24.在所述半球壳的开口部边缘设置有一对限位槽，所述横向外伸杆固定在所述限位槽内，所述半球壳随所述横向外伸杆同步在水平方向的转角运动；
25.所述竖向弯曲弹簧连接在所述半球壳的开口部边缘或所述限位杆上。
26.作为本发明的一种优选方案，在所述半球壳的外表面沿竖直方向设置有加强块，所述加强块的端部形成于所述限位杆上，所述加强块的侧面形成于所述半球壳的外壁面。
27.作为本发明的一种优选方案，所述横向外伸杆包括圆柱体部和两个长方体部，两个长方体部各连接在所述圆柱体部一端，且关于所述圆柱体部的中心位置对称；
28.所述水平活动槽为长方形，所述水平活动槽的长度方向沿水平方向设置，所述水平活动槽的槽宽与所述长方体部的高度相当，以限制所述长方体部在非水平方向上发生位移；
29.所述轴向外伸杆的端部转动连接在所述圆柱体部上，且所述轴向外伸杆的侧部与所述长方体部的端部抵接，以限制所述轴向外伸杆沿所述圆柱体部上长度方向上发生位移；
30.所述长方体部固定设置在所述半球壳的边缘上。
31.作为本发明的一种优选方案，所述限位杆为圆柱体结构，所述杆孔为圆孔，且所述限位杆的外直径与所述杆孔的直径相当，以使得所述限位杆能够在所述杆孔内转动且不发生侧向偏移。
32.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
33.本发明通过在轴向扭转弹性约束的基础上，通过增加配件来形成一个完整的模拟系统，将三个方向的弹性约束(轴向扭转、水平向转角，竖直方向转角)高度集成在一个模拟系统上，且实现的目的是弹性约束而非刚性，还原了真实结构中，节点于不同转动方向对构件弯曲、扭转约束强度不同的情况。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
35.图1为本发明实施例提供整体的结构示意图。
36.图2为本发明实施例提供在整体的内部透视图。
37.图3为本发明实施例提供整体的侧视剖面图。
38.图4为本发明实施例提供定位固定盒的剖视图。
39.图5为本发明实施例提供整体的正视剖面图。
40.图6为本发明实施例提供整体的底视图。
41.图7为本发明实施例提供整体的透视轮廓图。
42.图8为本发明实施例提供整体的爆炸图。
43.图中的标号分别表示如下：
[0044]1‑
定位固定盒；2
‑
扭转连接杆；3
‑
扭转弹簧；4
‑
横向弯曲弹簧；5
‑
外球壳；6
‑
竖向限位件；7
‑
横向外伸杆；8
‑
竖向弯曲弹簧；9
‑
轴向外伸杆；10
‑
法兰；11
‑
水平活动槽；12
‑
杆孔；13
‑
加强块；
[0045]
101
‑
盒体；102
‑
扭转孔；
[0046]
601
‑
半球壳；602
‑
限位杆；603
‑
限位槽；
[0047]
71
‑
圆柱体部；72
‑
长方体部。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
如图1至图8所示，本发明提供了一种多自由度弹性转动约束模拟系统，包括固定设置的定位固定盒1，以及用于安装试验构件的法兰10，定位固定盒1与法兰10之间通过弹性刚度模拟装置连接，弹性刚度模拟装置包括轴向扭转弹性约束组件，以及集成在轴向扭转弹性约束组件上的水平向弹性约束配件和竖向弹性约束配件，轴向扭转弹性约束组件的一端固定在法兰10上，另一端设置在定位固定盒1内且能够相对定位固定盒1发生扭转转动；
[0050]
其中，水平向弹性约束配件与轴向扭转弹性约束组件配合形成试验构件在水平方向转角的弹性约束，竖向弹性约束配件与轴向扭转弹性约束组件配合形成试验构件在竖直方向转角的弹性约束。
[0051]
为了便于理解，本实施方式中的水平方向、竖直方向、轴向既为实际试验过程中的准确方向，同时也是附图1中的方向。
[0052]
本发明提供的多自由度弹性转动约束模拟系统主要是用于模拟梁
‑
柱连接或钢结构的节点处的结构，尤其是对于非完全刚性的节点，即为由于较大负荷而发生形变损伤的节点，以用于对试验构件在此类节点处的受力特性，并分析获取试验构件可能损坏位置，即为模拟节点对试验构件的三种弹性约束。
[0053]
本实施方式的多自由度弹性转动约束模拟系统除了能够模拟三种弹性约束的基本功能外，最大的特点在于，三种弹性约束部件的组成高度集成为一体，并不是三个独立的弹性约束部件拼凑为一个整体。试验过程中三个独立的弹性约束过程互不干扰，能够高度实现对真实情况的还原。
[0054]
其中，法兰10的一面与弹性刚度模拟装置的轴方向垂直连接，试验构件固定在法兰10的另一面。
[0055]
定位固定盒1固定设置在反力架或反力墙等结构上，以作为整个模拟系统的固定端，定位固定盒1不发生任何位移或转动。
[0056]
其中，轴向扭转弹性约束组件包括扭转连接杆2、扭转弹簧3、外球壳5、横向外伸杆
7和轴向外伸杆9；
[0057]
扭转弹簧3固定设置在定位固定盒1内，扭转连接杆2的一端穿过定位固定盒1侧壁并连接扭转弹簧3，扭转连接杆2的另一端固定在外球壳5的外壁；
[0058]
横向外伸杆7设置在外球壳5内部并横向贯穿外球壳5，轴向外伸杆9的一端与横向外伸杆7垂直连接，轴向外伸杆9的另一端与法兰10固定连接，且轴向外伸杆9与扭转连接杆2在同一扭转轴线上；
[0059]
其中，横向外伸杆7能够带动外球壳5沿扭转轴向转动，进而带动扭转连接杆2压扭转轴向转动，以引起扭转弹簧3发生形变，为法兰10上的试验构件提供轴向扭转弹性约束。
[0060]
轴向扭转弹性约束的实现过程如下：
[0061]
转动试验构件，即法兰10转动，从而带动轴向外伸杆9以自身的轴线为轴进行转动，由于轴向外伸杆9与横向外伸杆7垂直连接，因此带动横向外伸杆7以轴向外伸杆9与横向外伸杆7连接处为中心，在垂直轴向外伸杆9的平面上转动，进而带动整个外球壳5以轴向外伸杆9的轴线为轴进行转动，最终带动扭转连接杆2转动，扭转连接杆2转动过程中以使得扭转弹簧3发生形变，从而对扭转连接杆2形成轴向扭转弹性约束，即为对试验构件提供轴向扭转弹性约束。
[0062]
其中，定位固定盒1的一种优选的实施方式为：其包括盒体101，以及开设在盒体101一侧的扭转孔102，扭转弹簧3设置在盒体101内，扭转连接杆2穿过扭转孔102与扭转弹簧3连接，扭转连接杆穿在扭转弹簧，扭转弹簧的两端固定在扭转连接杆上，以使得扭转弹簧3能够在扭转连接杆2转动时形成轴向扭转弹性约束。
[0063]
为了确保只形成轴向扭转弹性约束，没有其他方向的干扰，要求扭转孔102的孔径与扭转连接杆2的杆径大小相当，以使得扭转连接杆2能够在扭转孔102转动且不发生侧向偏移，侧向偏移具体指非轴向转动的任何方向。
[0064]
在轴向扭转弹性约束的基础上即在轴向扭转弹性约束组件的基础上，为了更好的形成水平向转角的弹性约束，本实施例的水平向弹性约束配件包括横向弯曲弹簧4和设置在外球壳5上的水平活动槽11，横向外伸杆7的两端伸出水平活动槽11至外球壳5外部，且横向外伸杆7能够在水平活动槽11内沿水平方向进行转角运动，且横向外伸杆7是以轴向外伸杆9和横向外伸杆7的连接处为中心进行水平向的转角运动，且横向外伸杆7不发生非水平方向的偏移；
[0065]
横向外伸杆7的一端通过一横向弯曲弹簧4与扭转连接杆2一侧面连接，横向外伸杆7的另一端通过另一横向弯曲弹簧4与扭转连接杆2的另一正相对侧面连接，且扭转连接杆2两侧的横向弯曲弹簧4关于扭转连接杆2轴对称；
[0066]
其中，横向外伸杆7在水平方向转动时引起横向弯曲弹簧4发生形变，为法兰10上的试验构件提供水平向转角的弹性约束。
[0067]
水平向转角的弹性约束的实现过程为：
[0068]
沿着水平面的方向转动试验构件，即法兰10和轴向外伸杆9整体在水平方向以轴向外伸杆9和横向外伸杆的连接处为中心发生转角运动，进而与轴向外伸杆9连接的横向外伸杆7以该连接处为中心在水平方向发生转角运动即在水平活动槽内转角运动，从而使得横向外伸杆7两侧的横向弯曲弹簧4发生形变一个被拉长，一个被压缩，从而对试验构件形成水平向转角的弹性约束。
[0069]
其水平活动槽的槽长不宜过长，其端部还起到限位作用，以避免试验时用力过度而损坏非弹簧的刚性部件。且横向外伸杆7不发生非水平方向的偏移的主要目的为减少其他因素对形成水平向转角的弹性约束的影响。
[0070]
水平向转角的弹性约束相当于在轴向扭转弹性约束组件的基础上，仅在外球壳5上增设水平活动槽11，以及必要的横向弯曲弹簧4而实现，高度集成的模拟系统能够同时实现轴向扭转和水平向转角两种弹性约束，大大的节省了试验的成本，提高了试验的效率，且降低了通过不同设备实现不同弹性约束之间的误差影响因素。
[0071]
在轴向扭转弹性约束的基础上即在轴向扭转弹性约束组件的基础上，为了更好的形成竖直方向转角的弹性约束，本实施例的竖向弹性约束配件包括竖向限位件6和竖向弯曲弹簧8，竖向限位件6的两端纵向贯穿外球壳5的侧壁，竖向限位件6与横向外伸杆7固定连接，且竖向限位件6能够沿纵向轴转动；
[0072]
竖向限位件6的一端通过一竖向弯曲弹簧8与轴向外伸杆9的一侧面连接，竖向限位件6的另一端通过另一竖向弯曲弹簧8与轴向外伸杆9的另一正相对侧面连接，且轴向外伸杆9两侧的竖向弯曲弹簧8关于轴向外伸杆9轴对称；
[0073]
且轴向外伸杆9的端部与横向外伸杆7转动连接，轴向外伸杆9能够绕横向外伸杆7在竖直方向上转动，以引起竖向弯曲弹簧8发生形变，为法兰10上的试验构件提供竖直方向转角的弹性约束，且轴向外伸杆9沿横向外伸杆7轴向不能发生位移。
[0074]
竖直方向转角的弹性约束的实现过程为：
[0075]
沿着竖直方向转动试验构件，即法兰10和轴向外伸杆9整体在竖直方向以轴向外伸杆9和横向外伸杆的连接处为中心发生转角运动，以竖向限位件6为支撑，直接使得竖向限位件6与轴向外伸杆9之间的竖向弯曲弹簧8发生形变一个被拉长，一个被压缩，从而对试验构件形成竖直方向转角的弹性约束。
[0076]
即相当于在轴向扭转弹性约束组件上，设置必要的竖向弯曲弹簧8，以及用于支撑竖向弯曲弹簧8的竖向限位件6，并将轴向外伸杆9设置为能够绕横向外伸杆7竖向转动，直接完成竖直方向转角的弹性约束。
[0077]
综上可知，水平方向和竖直方向转角的弹性约束都只是在轴向扭转弹性约束的基础上增加2个配件即实现，从而可以体现出本发明的模拟系统高度集成了三种方向的弹性约束的形成方案，且相互关联，大大降低了模拟系统的结构复杂度和成本。
[0078]
以下提供竖直方向转角的弹性约束形成的必要部件
‑
竖向限位件的优选实施方式：
[0079]
竖向限位件6包括半球壳601，半球壳601位于外球壳5的内部且与外球壳5的内壁不接触，且在半球壳601和外球壳5之间形成有供半球壳601在水平方向上转角运动的空间，以能够在形成竖直方向转角的弹性约束的过程中，不会受到任何的阻碍。
[0080]
在半球壳601竖直方向的两侧壁均固定连接有一根限位杆602，在外球壳5竖直方向的侧壁设置有一对杆孔12，每一限位杆602各设置在一个杆孔12内，且限位杆602能够在杆孔12内自转；
[0081]
在半球壳601的开口部边缘设置有一对限位槽603，横向外伸杆7固定在限位槽603内，半球壳601随横向外伸杆7同步在水平方向的转角运动；
[0082]
竖向弯曲弹簧8连接在半球壳601的开口部边缘或限位杆602上。
[0083]
半球壳601和外球壳5之间只要形成能够正常转动的空间即可，但优选为半球壳601和外球壳5同心；且优选横向外伸杆和限位杆602经过该圆心，以使得整个模拟系统更对称，更便于组装和使用。
[0084]
在半球壳601的外表面沿竖直方向设置有加强块13，加强块13的端部形成于限位杆602上，加强块13的侧面形成于半球壳601的外壁面。
[0085]
加强块的主要特点是形成在限位杆602上和半球壳601的外表面上，以使得限位杆602上和半球壳601连接更紧密，从而增加半球壳601两端限位杆的刚度，以避免限位杆602在力的作用下发生形变，影响竖直方向转角的弹性约束的模拟。
[0086]
以下提供横向外伸杆7和轴向外伸杆9实现转动连接，以及不能发生非转动的其他相对位移的一种实施方式：
[0087]
横向外伸杆7包括圆柱体部71和两个长方体部72，两个长方体部72各连接在圆柱体部71一端，且关于圆柱体部71的中心位置对称；
[0088]
水平活动槽11为长方形，水平活动槽11的长度方向沿水平方向设置，水平活动槽11的槽宽与长方体部72的高度相当，以限制长方体部72在非水平方向上发生位移；
[0089]
轴向外伸杆9的端部转动连接在圆柱体部71上，且轴向外伸杆9的侧部与长方体部72的端部抵接，以限制轴向外伸杆9沿圆柱体部71上长度方向上发生位移；
[0090]
长方体部72固定设置在半球壳601的边缘上。
[0091]
此实施方式较为简单，降低模拟系统的结构复杂度，从而更加贴合实际情况中梁
‑
柱连接或钢结构的特点。
[0092]
限位杆602为圆柱体结构，杆孔12为圆孔，且限位杆602的外直径与杆孔12的直径相当，以使得限位杆602能够在杆孔12内转动且不发生侧向偏移，以确保在模拟竖直方向转角的弹性约束时不受其他方向偏移因素的影响。
[0093]
以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。