一种可变刚度的多自由度弹性固定系统的制作方法

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，具体涉及一种可变刚度的多自由度弹性固定系统。


背景技术：

2.土木工程建筑结构中的钢结构部分复杂性不断提高，各构件连接情况与约束条件不同，在地震与台风等极端工况下，构件连接节点处可能发生较大变形，导致构件受力情况改变，引起结构损坏或连续倒塌，在通过试验对各构件受力情况与连接的可靠性进行分析时，若构件端部约束形式选为铰接或固定连接，难以还原结构或构件在发生极端荷载情况下的受力与变形情况。
3.此外，海洋石油工程中的油气开采由浅水区域逐渐向深水区域发展，海底管道与深水立管在复杂荷载下的受力情况与可靠性亟需分析与评估，以确保油气开采与输送系统的整体性与安全性，在试验分析中，常截取一定长度的局部管道或立管开展试验，若选取管道端部固定方式为铰接或固定，则无法还原相邻管道对其的约束支撑效应，导致试验中管道约束不足或过强，进而使得试验结果偏于危险或过于保守。
4.因此，为提高试验准确性与可靠度，需设计研发一种可变刚度的多自由度弹性固定系统，且该系统需具备同时对试验构件端部竖向、横向、轴向提供弹性支撑，三个方向的刚度可根据试验要求进行改变，且试验过程中三向刚度互不干扰，以适应不同尺寸以及不同边界条件的构件需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可变刚度的多自由度弹性固定系统，以解决现有技术中的常规采用铰接或固定管道试验件的方式准确性和安全性不理想问题。
6.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
7.一种可变刚度的多自由度弹性固定系统，包括多个竖直分布的竖向支撑柱，多个所述竖向支撑柱配合在前端面活动连接有处于水平状态的横向支撑梁，所述横向支撑梁上活动连接有轴向支撑盒；
8.所述竖向支撑柱的内部安装有配合竖直弹性支撑所述横向支撑梁的竖直弹性支撑结构，所述横向支撑梁的内部安装有配合横向弹性支撑所述轴向支撑盒的水平弹性支撑结构，所述轴向支撑盒内部设有配合所述法兰盘转动提供轴向弹性支撑的轴向弹性支撑结构，所述轴向支撑盒通过所述轴向弹性支撑结构连接有用于安装试验构件的法兰盘。
9.作为本发明的一种优选方案，所述竖向支撑柱的内部中心位置开设有延伸至其顶端的通滑槽，所述竖向支撑柱通过所述通滑槽形成u形结构，所述竖向支撑柱的两处顶端结构的前端面皆开设有第一螺纹孔，所述竖向支撑柱通过两处顶端结构安装有封闭所述通滑槽的柱顶封闭盖；
10.所述柱顶封闭盖的底端开设有两个分别用于卡套所述通滑槽两处顶端结构的对
接定位槽，所述柱顶封闭盖的前端面开设有两个关于其中心轴线对称的螺栓定位孔，两个所述螺栓定位孔延伸至所述对接定位槽的内部并分别与两个所述第一螺纹孔重合，所述柱顶封闭盖前端面的中心轴线上开设有第二螺纹孔，所述柱顶封闭盖的底端开设有向内凹陷的卡槽。
11.作为本发明的一种优选方案，所述竖直弹性支撑结构包括沿所述通滑槽上下滑动的梁滑块，所述梁滑块的底端固定有配合所述通滑槽内侧提供竖直弹性支撑的底弹性支撑弹簧，所述梁滑块的顶端活动安装有配合所述柱顶封闭盖提供竖直弹性支撑的顶弹性支撑组件，所述顶弹性支撑组件用于配合所述底弹性支撑弹簧为所述梁滑块提供进一步的竖直弹性支撑；
12.所述底弹性支撑弹簧沿所述通滑槽的朝向竖直延伸，并且所述底弹性支撑弹簧的底端与所述通滑槽的底端固定连接。
13.作为本发明的一种优选方案，所述梁滑块整体为吻合所述通滑槽竖直横截面的t型结构，所述梁滑块的竖直结构前端与所述横向支撑梁焊接，并且所述梁滑块竖直结构的上端面设有向内凹陷的卡槽，所述梁滑块的长条结构贴合所述竖向支撑柱的后端面，所述横向支撑梁通过多个所述梁滑块沿多个所述竖向支撑柱前端面水平升降。
14.作为本发明的一种优选方案，所述顶弹性支撑组件包括提供弹力支撑的顶支撑弹簧，所述顶支撑弹簧的底端固定连接有与所述梁滑块顶端卡槽配合嵌入的滑块顶卡块，并且所述顶支撑弹簧的顶端固定连接有配合嵌入所述柱顶封闭盖底端卡槽的柱顶封闭盖底卡块，所述滑块顶卡块延伸至所述横向支撑梁顶端并通过设有能够拧入所述横向支撑梁固定的螺栓，所述柱顶封闭盖底卡块延伸至所述柱顶封闭盖的前端面并通过设有螺栓配合拧入所述第二螺纹孔固定。
15.作为本发明的一种优选方案，所述横向支撑梁的前端面中心位置开设有沿其轴向分布的水平滑槽，所述水平滑槽的上表面开设有至少两个关于其中心轴线对称分布的限位螺纹孔，所述水平滑槽的深度小于所述横向支撑梁的宽度，所述限位螺纹孔内通过螺纹连接有螺栓限制所述槽内滑块左右最大滑动距离，所述横向支撑梁的顶端靠近各所述梁滑块的位置皆开设有供所述滑块顶卡块固定的第三螺纹孔。
16.作为本发明的一种优选方案，所述水平弹性支撑结构包括沿所述水平滑槽内部左右滑动的槽内滑块，所述槽内滑块的两侧皆设置有与所述水平滑槽两端部固定连接的水平支撑弹簧，两个所述水平支撑弹簧提供水平弹性支撑连带所述槽内滑块处于所述水平滑槽的中心位置。
17.作为本发明的一种优选方案，所述轴向支撑盒固定连接在所述槽内滑块的前端面，所述轴向支撑盒的前端面设置有外轴孔，并且所述外轴孔的内侧设置有直径小于所述外轴孔的内轴孔，所述外轴孔的内壁开设有两个对称分布的内壁卡槽；
18.所述轴向弹性支撑结构包括活动设置在所述外轴孔内侧的外包钢壳，所述外包钢壳的外侧设有两个配合卡入两个所述内壁卡槽的连接槽型板，所述外包钢壳沿其中心轴线转动连接有用于固定连接所述法兰盘的轴向连接组件，所述轴向连接组件的端部延伸至所述内轴孔内并设置有提供轴向弹性支撑的轴线弹性支撑组件。
19.作为本发明的一种优选方案，所述轴向连接组件包括与所述外包钢壳转动连接的连接柱，所述连接柱的前端固定连接有球形座，所述球形座的外侧连接有外球壳，所述外球
壳上设置有与所述连接柱处于相同轴线上的法兰盘连接杆，所述法兰盘连接杆与所述法兰盘的背面中心位置固定连接，所述法兰盘通过所述外球壳与所述球形座配合提供任意连接角度。
20.作为本发明的一种优选方案，所述轴线弹性支撑组件包括处于所述内轴孔内侧并与之活动连接的活动盘，所述活动盘的中心部位与所述连接柱的端部固定连接，所述活动盘上设置有多个与所述外包钢壳背面固定连接的轴向连接弹簧，多个所述轴向连接弹簧绕所述活动盘的轴心均匀分布，所述连接柱连带所述活动盘转动通过多个所述轴向连接弹簧与所述外包钢壳配合产生轴向弹性支撑。
21.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
22.(1)本发明通过在装置上提供安装横向、竖直、轴向弹性支撑，可还原结构或构件在真实受力情况下的端部多自由度弹性固定情况，较传统铰接或固定端，可模拟构件端部受力及破坏情况，提高试验精度与准确性；
23.(2)本发明可通过更换弹簧尺寸或连接的弹簧根数改变横向、竖向与轴向刚度大小，以适应不同尺寸与荷载等级的试验需求，并保证试验过程中三向刚度互不干扰，提升了安全性，实现对真实情况的还原。
附图说明
24.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。
25.图1为本发明实施例提供整体的示意图。
26.图2为本发明实施例提供轴向弹性支撑结构的剖视图。
27.图3为本发明实施例提供外包钢壳的结构示意图。
28.图4为本发明实施例提供轴向支撑盒的结构示意图。
29.图5为本发明实施例提供竖直弹性支撑结构的局部示意图。
30.图6为本发明实施例提供横向支撑梁的剖视图。
31.图7为本发明实施例提供横向支撑梁的俯视图。
32.图中的标号分别表示如下：
[0033]1‑
竖向支撑柱；2
‑
横向支撑梁；3
‑
轴向支撑盒；4
‑
法兰盘；5
‑
竖直弹性支撑结构；6
‑
水平弹性支撑结构；7
‑
轴向弹性支撑结构；
[0034]
11
‑
通滑槽；12
‑
第一螺纹孔；13
‑
柱顶封闭盖；
[0035]
131
‑
对接定位槽；132
‑
螺栓定位孔；133
‑
第二螺纹孔；
[0036]
21
‑
水平滑槽；22
‑
限位螺纹孔；23
‑
第三螺纹孔；
[0037]
31
‑
外轴孔；32
‑
内轴孔；33
‑
内壁卡槽；
[0038]
51
‑
梁滑块；52
‑
底弹性支撑弹簧；53
‑
顶弹性支撑组件；
[0039]
531
‑
顶支撑弹簧；532
‑
滑块顶卡块；533
‑
封闭盖底卡块；
[0040]
61
‑
槽内滑块；62
‑
水平支撑弹簧；
[0041]
71
‑
外包钢壳；72
‑
连接槽型板；73
‑
轴向连接组件；74
‑
轴线弹性支撑组件；
[0042]
731
‑
连接柱；732
‑
球形座；733
‑
外球壳；734
‑
法兰盘连接杆；741
‑
活动盘；742
‑
轴向连接弹簧。
具体实施方式
[0043]
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。
[0044]
如图1至图7所示，本发明提供了一种可变刚度的多自由度弹性固定系统，包括多个竖直分布的竖向支撑柱1，多个竖向支撑柱1配合在前端面活动连接有处于水平状态的横向支撑梁2，横向支撑梁2上活动连接有轴向支撑盒3；
[0045]
竖向支撑柱1的内部安装有配合竖直弹性支撑横向支撑梁2的竖直弹性支撑结构5，横向支撑梁2的内部安装有配合横向弹性支撑轴向支撑盒3的水平弹性支撑结构6，轴向支撑盒3内部设有配合法兰盘4转动提供轴向弹性支撑的轴向弹性支撑结构7，轴向支撑盒3通过轴向弹性支撑结构7连接有用于安装试验构件的法兰盘4。
[0046]
本发明通过在装置上提供安装横向、竖直、轴向弹性支撑，可还原结构或构件在真实受力情况下的端部多自由度弹性固定情况，较传统铰接或固定端，可模拟构件端部受力及破坏情况，提高试验精度与准确性；
[0047]
并且，可通过更换弹簧尺寸或连接的弹簧根数改变横向、竖向与轴向刚度大小，以适应不同尺寸与荷载等级的试验需求，并保证试验过程中三向刚度互不干扰，实现对真实情况的还原。
[0048]
其中，竖向支撑柱1的内部中心位置开设有延伸至其顶端的通滑槽11，竖向支撑柱1通过通滑槽11形成u形结构，竖向支撑柱1的两处顶端结构的前端面皆开设有第一螺纹孔12，竖向支撑柱1通过两处顶端结构安装有封闭通滑槽11的柱顶封闭盖13；
[0049]
柱顶封闭盖13的底端开设有两个分别用于卡套通滑槽11两处顶端结构的对接定位槽131，柱顶封闭盖13的前端面开设有两个关于其中心轴线对称的螺栓定位孔132，两个螺栓定位孔132延伸至对接定位槽131的内部并分别与两个第一螺纹孔12重合，柱顶封闭盖13前端面的中心轴线上开设有第二螺纹孔133，柱顶封闭盖13的底端开设有向内凹陷的卡槽。
[0050]
竖直弹性支撑结构5包括沿通滑槽11上下滑动的梁滑块51，梁滑块51的底端固定有配合通滑槽11内侧提供竖直弹性支撑的底弹性支撑弹簧52，梁滑块51的顶端活动安装有配合柱顶封闭盖13提供竖直弹性支撑的顶弹性支撑组件53，顶弹性支撑组件53用于配合底弹性支撑弹簧52为梁滑块51提供进一步的竖直弹性支撑；
[0051]
底弹性支撑弹簧52沿通滑槽11的朝向竖直延伸，并且底弹性支撑弹簧52的底端与通滑槽11的底端固定连接。
[0052]
梁滑块51整体为吻合通滑槽11竖直横截面的t型结构，梁滑块51的竖直结构前端与横向支撑梁2焊接，并且梁滑块51竖直结构的上端面设有向内凹陷的卡槽，梁滑块51的长条结构贴合竖向支撑柱1的后端面，横向支撑梁2通过多个梁滑块51沿多个竖向支撑柱1前端面水平升降。
[0053]
顶弹性支撑组件53包括提供弹力支撑的顶支撑弹簧531，顶支撑弹簧531的底端固定连接有与梁滑块51顶端卡槽配合嵌入的滑块顶卡块532，并且顶支撑弹簧531的顶端固定连接有配合嵌入柱顶封闭盖13底端卡槽的柱顶封闭盖底卡块533，滑块顶卡块532延伸至横向支撑梁2顶端并通过设有能够拧入横向支撑梁2固定的螺栓，柱顶封闭盖底卡块533延伸至柱顶封闭盖13的前端面并通过设有螺栓配合拧入第二螺纹孔133固定。
[0054]
横向支撑梁2的前端面中心位置开设有沿其轴向分布的水平滑槽21，水平滑槽21的上表面开设有至少两个关于其中心轴线对称分布的限位螺纹孔22，水平滑槽21的深度小于横向支撑梁2的宽度，限位螺纹孔22内通过螺纹连接有螺栓限制槽内滑块61左右最大滑动距离，横向支撑梁2的顶端靠近各梁滑块51的位置皆开设有供滑块顶卡块532固定的第三螺纹孔23。
[0055]
水平弹性支撑结构6包括沿水平滑槽21内部左右滑动的槽内滑块61，槽内滑块61的两侧皆设置有与水平滑槽21两端部固定连接的水平支撑弹簧62，两个水平支撑弹簧62提供水平弹性支撑连带槽内滑块61处于水平滑槽21的中心位置。
[0056]
轴向支撑盒3固定连接在槽内滑块61的前端面，轴向支撑盒3的前端面设置有外轴孔31，并且外轴孔31的内侧设置有直径小于外轴孔31的内轴孔32，外轴孔31的内壁开设有两个对称分布的内壁卡槽33；
[0057]
轴向弹性支撑结构7包括活动设置在外轴孔31内侧的外包钢壳71，外包钢壳71的外侧设有两个配合卡入两个内壁卡槽33的连接槽型板72，外包钢壳71沿其中心轴线转动连接有用于固定连接法兰盘4的轴向连接组件73，轴向连接组件73的端部延伸至内轴孔32内并设置有提供轴向弹性支撑的轴线弹性支撑组件74。
[0058]
轴向连接组件73包括与外包钢壳71转动连接的连接柱731，连接柱731的前端固定连接有球形座732，球形座732的外侧连接有外球壳733，外球壳733上设置有与连接柱731处于相同轴线上的法兰盘连接杆734，法兰盘连接杆734与法兰盘4的背面中心位置固定连接，法兰盘4通过外球壳733与球形座732配合提供任意连接角度。
[0059]
轴线弹性支撑组件74包括处于内轴孔32内侧并与之活动连接的活动盘741，活动盘741的中心部位与连接柱731的端部固定连接，活动盘741上设置有多个与外包钢壳71背面固定连接的轴向连接弹簧742，多个轴向连接弹簧742绕活动盘741的轴心均匀分布，连接柱731连带活动盘741转动通过多个轴向连接弹簧742与外包钢壳71配合产生轴向弹性支撑。
[0060]
使用前，需先将试验构件安装在法兰盘4上，通过对实验构件施加横向、竖向和轴向的力后，由法兰盘对装置内分别提供相应朝向的弹性支撑的结构施加力，并由相应的弹性支撑结构反馈得出试验构件所受的各方向的压力。
[0061]
其中，在试验构件通过法兰盘4施加轴向压力时，由试验构件施加轴向力并连带与之固定连接的法兰盘4同步转动，在法兰盘4转动时，使得轴向连接组件73绕外包钢壳71转动和轴线弹性支撑组件74的活动盘同步转动，在活动盘741沿内轴孔32中转动时会连带其上设置的多个轴向连接弹簧742发生位移。
[0062]
由于多个轴向连接弹簧742的另一端皆与外包钢壳71固定连接，且外包钢壳71通过其外侧的两个连接槽型板72卡入外轴孔31的两个内壁卡槽33中，因此外包钢壳71无法在轴向支撑盒3的外轴孔31内转动，因此多个轴向连接弹簧742与外包钢壳71连接的一端不会
发生位移，因此在活动盘741转动时多个轴向连接弹簧742会提供轴向复位的弹力，由此通过轴向连接组件73和法兰盘4反馈至试验构件。
[0063]
另外，轴向连接组件73的球形座732和外球壳733的连接方式为常规的球轴连接方式，可通过松开外球壳733包裹球形座732外侧的力度从而调整法兰盘连接杆734、法兰盘4和试验构件的方向，在调整好方向后可将外球壳733再次固定在球形座732的外侧即可实施固定。
[0064]
其中，在试验构件通过法兰盘4施加横向压力时，由试验构件对法兰盘4施加横向的力，由法兰盘4依次通过轴向连接组件73的法兰盘连接杆734、外球壳733、球形座732、连接柱731、外包钢壳71、轴向支撑盒3对槽内滑块61施加横向的力，使得槽内滑块61沿水平滑槽21朝向相应方向移动，并在槽内滑块61横向移动时会连带压缩相应朝向的水平支撑弹簧62，并连带牵拉另一水平支撑弹簧62，由两个水平支撑弹簧62提供横向弹性支撑。
[0065]
其中，在试验构件通过法兰盘4施加竖向压力时，由试验构件对法兰盘4施加竖向的力，由法兰盘4依次通过轴向连接组件73的法兰盘连接杆734、外球壳733、球形座732、连接柱731、外包钢壳71、轴向支撑盒3、槽内滑块61和横向支撑梁2对多个梁滑块51施加竖向的力，在梁滑块51受到竖向力时会沿竖向支撑柱1的通滑槽11朝相应的方向竖向移动，由于横向支撑梁2是通过多个竖直弹性支撑结构5安装在多个竖向支撑柱1上，因此在横向支撑梁2竖向移动时会与多个竖直弹性支撑结构5同时配合，使得横向支撑梁2始终保持水平状态。
[0066]
在横向支撑梁2连带多个梁滑块51沿通滑槽11竖向移动时，会压缩或是牵拉底弹性支撑弹簧52，由底弹性支撑弹簧52提供试验构件竖向的弹性支撑。
[0067]
当试验构件对竖向弹性强度需求较大时，可将多个竖直弹性支撑结构5的顶弹性支撑组件53进行安装，使得试验构件在进竖向压力测试时，可通过底弹性支撑弹簧52和顶弹性支撑组件53同时提供竖向的弹性支撑。
[0068]
在安装顶弹性支撑组件53时，需先将封闭盖底卡块533嵌入柱顶封闭盖13底端的卡槽，并使用螺栓穿过封闭盖底卡块533后拧入柱顶封闭盖13前端的第二螺纹孔133进行固定，之后将滑块顶卡块532嵌入梁滑块51顶端的卡槽，并使用螺栓穿过滑块顶卡块532后拧入横向支撑梁2上相应位置的第三螺纹孔23进行固定，此时梁滑块51在竖向升降时会连带压缩或是牵拉顶支撑弹簧531，之后将柱顶封闭盖13通过低端的两个对接定位槽131卡入竖向支撑柱1的u型顶端后使用螺栓穿过螺栓定位孔132后拧入第一螺纹孔12进行固定，防止梁滑块51过渡上移脱离竖向支撑柱1。
[0069]
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。