1项目研究总结报告含测试报告.docx
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1项目研究总结报告含测试报告
灌浆卡箍力学实验及分析研究
系列报告
(一):
项目研究总结报告(含试验测试报告)
哈尔滨工程大学黑龙江省重点实验室
水下作业技术与装备实验室王茁孙立波周英辉
项目研究总结报告(含试验测试报告)
此总结报告根据合同“灌浆卡箍力学实验及分析研究服务合同”(编号:
YB12ZF0022)所规定内容编写,具体研究目标为:
1.研究掌握100m水深以内海洋平台水下受损结构和新增结构的机械加强和加固工程设计技术;
2.研究开发与机械加强和加固工程设计技术应用相配套的机械装置(灌浆卡箍加固装置);
3.研究掌握100m水深以内海洋平台水下受损结构和新增结构的机械加强和加固装置(灌浆卡箍加固装置)安装施工技术。
1.合同规定的研究内容
1)灌浆卡箍环形空间泥浆力学性能理论分析及实验验证;
2)卡箍橡胶密封圈设计和密封效果论证;
3)液压伸缩缸设计;
4)卡箍结构制造与力学试验。
2.项目研究进度与具体工作
此项目自2012年11月26日签订合同至现在2013年11月10日近一年时间分别进行了如下工作:
1)2012年10月15日—2012年12月15日,理论分析与图纸设计;
(1)灌浆卡箍力学基础分析包括国内外相关资料检索与归纳,分析卡箍承载力、泥浆配比等基础理论,采用有限元法进行接触分析与优化设计,设计直管、K型节点卡箍试验机件与试验系统。
(2)液压伸缩式灌浆卡箍装置研究分别进行了灌浆卡箍结构、卡箍橡胶密封圈结构、液压伸缩缸、液压传动系统、测试与监控系统设计,依次进行三维建模、有限元强度分析、结构优化、液压传动系统回路设计、工程图纸设计,达到加工技术要求。
2)2012年12月16日—2012年12月31日,进行了图纸与方案审核,将待加工图纸与设计方案提供给甲方审核,根据甲方的修改意见对方案与设计图纸进行修改,待甲方审核通过后,与制造厂家联系落实装置加工事宜。
3)2013年01月01日—2012年01月31日,备品备料与工艺分析。
(1)进一步进行卡箍整体结构与泥浆固结状态的数模分析,推导灌浆强度手工计算公式,设计环形空间剪力键,泥浆配方和灌浆施工工艺研究;
(2)进行了机加材料、液压元件、电子元器件、试验设备等外构件的准备,即备品备料,达到能加工状态,加工出试验试件。
4)2013年02月01日—2012年05月31日,搭建卡箍灌浆试验系统进行灌浆实验并同时进行卡箍装置加工;
(1)搭建卡箍灌浆试验系统,进行灌浆系统、水压系统、应力测试系统、试件组件、压力试验机系统等安装、调试、试运行及灌浆对比试验工作。
(2)液压伸缩卡箍装置在厂进行零部件加工、安装装配、调试等工作。
5)2013年06月01日—2012年08月25日,液压伸缩卡箍装置现场调试试验及改进设计与加工。
6)2013年08月26日—2012年10月30日,分别反复多次进行了系列灌浆卡箍密封试验与改进,包括:
小直管灌浆卡箍、小K型灌浆卡箍、液压伸缩直管灌浆卡箍、大K型灌浆卡箍,最后,达到合同中100米水深的密封要求,并有0.25倍的密封裕量。
在此基础上,进行了小直管灌浆卡箍环形加填料密封试验,使得工程可行性更强。
7)2013年11月01日—2012年11月12日,进行小直管灌浆卡箍、小K型灌浆卡箍力学性能测试试验,进行了极限载荷前后对比。
8)2013年04月01日—2012年11月12日,分别撰写项目研究总结报告(含试验测试报告)及其他报告,包括:
平台水下结构机械加固和加强方法设计指南、水下灌浆卡箍加固装置安装施工指南、灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及研究报告、卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告、液压伸缩装置研究设计报告。
整理项目验收材料,形成验收文件。
9)2012年11月12日,将项目最终研究成果提交甲方,进行项目验收。
3.项目研制的系列卡箍装置样机
根据合同要求分别加工制作了φ108mm直管灌浆卡箍、φ133mmK型节点灌浆卡箍、φ610mm液压伸缩式直管灌浆卡箍、φ762mmK型节点灌浆卡箍、配套液压动力与传动系统等样机,如下图所示.
图3.1φ108mm直管灌浆卡箍图3.2φ133mmK型节点灌浆卡箍
图3.3φ610mm液压伸缩式直管灌浆卡
图3.4φ762mmK型节点灌浆卡箍
图3.5配套液压动力与传动系统
图3.6直管液压伸缩动作实验
图3.7全部实验装置
4.系列卡箍性能试验
按合同规定要求分别进行了系列卡箍密封、卡箍力学性能及极限载荷对比等试验。
4.1.试验系统组成
试验系统组成如下图:
图4.1力学性能试验系统组成图4.2200t压力机
图4.3压力机直芯管装夹图4.4应变片接线板及显示系统
图4.5卡箍打压密封试验组成
4.2.卡箍力学实验方案分析
4.2.1直杆件φ508×16受压应力核算
由前面实验系统中可得到灌浆卡箍极限载荷试验的充分条件是压力试验机所提供的最大压力应使得被压材料应力超过屈服极限。
按会议纪要第2条的修订值杆件规格为φ508×16mm,材料DH36,屈服强度
,抗拉强度
为
,简要计算在压力200T压力下的应力值如下式:
代入数据得:
MPa<
MPa,即为材料最大抗拉强度的近1/8,说明200T的压力机不能满足极限载荷试验的要求。
再由下式算出此杆件压弯的临界力:
代入数据得杆件φ508×16mm,L=800mm的临界力为2.425×105t,即24万吨的压力机,但在实际中是没有此规格的巨型压力机。
通过直杆件φ508×16mm的受压核算,可得出在实际中没有压力机能够满足极限载荷试验的要求,因此,需要再次降低直杆件的规格才能满足此项试验需要。
4.2.2灌浆卡箍试验可行性方案设计
通过三维建模软件Soildworks建立破损管道模型,分别建立Φ508、Φ426、Φ377、Φ325、Φ219、Φ159、Φ133、Φ108的三维管道模型,对其进行静力学受压强度分析,收集数据。
1、三维建模
使用Solidworks软件分别建立实验中用到的各组模型:
Φ508×16、Φ426×9、Φ377×9、Φ325×8、Φ219×6、Φ159×4.5、Φ133×14、Φ108×4高800mm的圆柱形管道,Φ508×16高2000mm的破损圆柱形管道及与之配套的水泥浆模型、卡箍模型如图4.6所示。
为了更好的增加水泥浆与卡箍、管道之间的粘结,采用机械预紧,卡箍作用是选用螺栓施加预紧力,灌浆卡箍选用带剪力键的卡箍因为此卡箍承载力高,性能可靠,水泥采用膨胀水泥。
图4.6三维模型示意图
2、网格划分
由于模型非常规整,采用Workbench自带的自动网格划分形式,综合考虑有限元计算结果精度和计算所用时间采用单元尺寸为30mm,如图4.7所示。
图4.7网格划分
3、边界条件
将管道的一端固定于地面,在其上步施加压力载荷,压力为200KN,如图4.8所示。
图4.8边界条件
4、结果分析与强度评定
管道有限元分析结果,可以看出,最大形变主要发生在与平台接触的管道上表面部分,形变量为0.064mm,如图4.9所示。
最大应力为17.9MPa,如图4.105所示,其他部分应力较小且分布均匀。
最大应力17.9MPa远远小于屈服应力620MPa,属于弹性形变,在承载范围之内。
图4.9应变位移图图4.10应力图
按照上述实验过程分别对φ426×9、φ377×9、φ325×8、φ219×6、φ159×4.5、φ133×4、φ108×4系列杆件有限元分析,杆件长为800mm,施加压力为200KN,其应力应变结果如下图所示。
图4.11φ426应变图图4.12φ426应力图
图4.13φ377应变图图4.14φ377应力图
图4.15φ325应变图图4.16φ325应力图
图4.17φ219应变图图4.18φ219应力图
图4.19φ159应变图图4.20φ159应力图
图4.21φ133应变图图4.22φ133应力图
图4.23φ108应变图图4.24φ108应力图
经过上述一系列实验表明只有当管道为φ108最小应力超出屈服强度620MPa,产生塑性形变,因此对于卡箍极限载荷压力对比试验。
它的可行性试验方案是对φ108的管道进行卡箍加固后进行对比实验分析,观察卡箍加固对管道产生作用。
5.系列卡箍试验测试报告
5.1灌浆卡箍灌浆实验
5.1.1水泥浆凝固实验
为了确定水泥浆凝固时间,我们选取表2.4中的水泥浆密度为1.7g/cm3进行配比如图5.1所示。
图5.1密度为1.7g/cm3的水泥以及配比所需工具
配比完成之后倒入塑料杯中,然后在中央插入芯棒,为了填实芯棒周围区域,将杯中倒满后向周围区域施压,然后放置在通风处。
等待24小时之后检查水泥的凝固情况,图5.2为凝固24小时后水泥凝固情况。
图5.2水泥凝固24小时图5.3水泥凝固48小时
由图5.2可以看出,芯棒周围和空气接触的区域的水泥已基本固化,表面略显潮湿。
但是在塑料杯内部的区域,没有完全固化,表面含有大量水分。
图5.2为水泥凝固48小时后,此时芯棒周围的泥浆已近完全固化,表面基本没有水分。
根据查询的资料显示,密度为1.7g/cm3固化时间为24小时,与实验不符合。
水泥配比实验时是严格按照表2.4中水泥密度为1.7g/cm3进行配比的,但是视觉观察配比后水泥浆过于稀疏。
经过认真分析,本次实验配比总量很少而容器较大,配比过程中大量水泥沾黏在容器壁上,使得配比后的密度远小于1.7g/cm3,所以才使得这次实验配比过于稀疏,使得凝固时间大大延长。
为确定灌浆卡箍所需合适水泥浆的密度,进行了详细的不同密度的泥浆凝固实验,从1.7g/cm3—1.88g/cm3分10组进行实验,实验数据见表5.1。
表5.1泥浆凝固实验数据
组数
水泥(g)
水(ml)
密度(g/cm3)
1
270
177.552
1.7
2
270
170.235
1.72
3
270
163.323
1.74
4
270
156.762
1.76
5
270
150.552
1.78
6
270
144.639
1.8
7
270
140.157
1.82
8
270
133.677
1.84
9
270
128.574
1.86
10
270
122.904
1.88
图5.5为配比时和24小时后的实验对比图,其中左上角密度最低密度1.7g/cm3水泥浆,右下角为做大密度1.88g/cm3水泥浆。
24小时后可以看出下面一排已近基本凝固,表面潮湿单没有水层,上面都有水层,认为24小时不能凝固。
图5.4不同密度的水泥凝固实验
根据实验结果,兼顾凝固时间与水泥浆流动性,推荐灌浆卡箍采用1.76g/cm3水泥浆经行水下灌浆。
5.1.2直管卡箍灌浆实验
根据泥浆凝固实验结果,在进行直管灌浆时决定采用水泥浆密度为1.75g/cm3进行配比。
在直管灌浆之前直管卡箍先进行了直管卡箍的密封实验,见图5.5。
在清水密封实验之后将其中的清水倒出,然后称量其体积得到直管卡箍中的清水重量为1.821kg,相当于1.821L。
图5.5直管卡箍密封实验
完成清水密封实验以后,将之前调制好的1.75g/cm3灌入直管卡箍之中见图5.6。
每次灌浆之前和灌浆之后都会对水泥进行称重,相减之后得到所得到的就是倒入额泥浆重量,图5.1为配比时所用的量杯以及称重式所用的电子称。
图5.6直管卡箍灌浆实验
由于不能一次灌入直管卡箍所需的全部泥浆,所以需要多次倒入,进而需要多次称量相减,将差值相加得到灌入泥浆的全部重量,将灌入直管卡箍泥浆的总重量除以倒出清水的体积就可以得到卡箍中泥浆的密度,见表5.2。
表5.2直管卡箍泥浆称重表
称重次数
倒入前水泥重量
(g)
倒入后剩余重量
(g)
差值
(g)
卡箍中水泥总重(g)
1
824
378
446
3178
2
2164
382
1782
3
1219
388
831
4
1241
1122
119
实际直管卡箍中的水泥浆的密度:
图5.7灌浆24小时以及6天后的对比。
从图中可以看出24小时之后直管卡箍中的水泥基本凝固表面略有潮湿,6天后从注水口看水泥已近完全固化,表面已完全干透。
图5.71天与6天后水泥凝固情况
5.1.3K管卡箍灌浆实验
根据直管灌浆凝固时间的结果,在进行K管灌浆时决定增大水泥浆密度,将密提升为1.8g/cm3进行配比。
在K管灌浆之前直管卡箍先进行了K管卡箍的密封实验。
密封实验之后将其中的清水倒出,然后称量其重量得到直管卡箍中的清水重量为3.402kg,相当于3.402L。
每次灌浆之前和灌浆之后都会对水泥进行称重,相减之后得到所得到的就是倒入额泥浆重量,将多次差值相加得到灌入泥浆的全部重量,将灌入直管卡箍泥浆的总重量除以倒出清水的体积就可以得到卡箍中泥浆的密度,见表5.3。
表5.3K管卡箍泥浆称重表
称重次数
倒入前水泥重量(g)
倒入后剩余重量(g)
差值(g)
卡箍中水泥总重(g)
1
3175
435
2740
6353
2
3443
462
2981
3
1262
630
632
实际K管卡箍中的水泥浆的密度:
5.2直管灌浆卡箍力学实验
5.2.1应变片相关注意事项
应变片的种类很多。
有电阻丝式、箔式、半导体、高温、低温、温度自补偿等。
电阻值一般为60-1000欧姆。
在结构试验中常用的是电阻丝式应变片。
现将几种应变片作一简要介绍。
首先介绍电阻应变片的种类和基本性能。
1).电阻丝式应变片
电阻丝式应变片的材料目前最广泛使用的是康铜丝及镍铬丝。
因其温度系数小,电阻系数大,应变灵敏度大,易于加工和焊接。
电阻丝式应变片按电阻丝缠绕形式可分为绕丝式和短接式两种。
将电阻丝做成所需长度(称为应变片标距),再拐弯几次,制成格栅状。
通常丝直径约0.02-0.1毫米。
用弹性的胶粘于具有绝缘性的纸片上(称纸基应变片),或胶膜片上(称胶基应变片),在电阻丝始端和末端用锡焊接引出线,以便与电源相连。
在电阻丝上盖有一层强度高、韧性大的香烟纸(纸厚为0.015-0.02mm)或胶膜,也有的在胶膜上再盖一层细毡,用来绝热。
这种应变片价格便宜,易于粘贴,目前在结构试验中大量采用。
2).箔式应变片
箔式应变片用厚为4-10μ的康铜箔或镍铬箔片,用照相腐蚀法制成。
可制成任何复杂形状,尺寸准确,是应变片发展方向之一,但价格稍高。
3).半导体应变片
半导体应变片是用硅型或锗型半导体材料制成的。
它的灵敏系数比丝式片和箔式片约高50倍。
但它的电阻应变特性非线性较大,并且其温度系数很大,价格很贵,操作技术要求高。
除特殊要求外,一般应力测量不采用。
了解电阻应变片的种类和基本性能之后,还需要清楚应变计粘贴和防护的工艺流程。
在粘贴电阻应变片以前,首先要对应变片的质量和主要参数-电阻值、灵敏系数等进行检查。
1).外观质量检查
2).电阻值检查
3).灵敏系数的检查
为了保证应变片和试件表面粘贴牢固,试件变形时两者不发生任何滑移,必须认真贴片。
不同类型的应变片,不同类型的粘接剂及被贴试件材料的不同,粘贴的方法也不同,但粘贴的工序基本相同:
1).平整清洗试件表面
2).划线贴片
3).干燥
4).绝缘检查
5).焊线编号
6).划线贴片
7).实验数据提取
最好要强调贴片以及实验过程中的注意事项:
a.在封绝缘过程中,用吹风机加温,能使环氧树脂胶柔软,便于操作。
b.在操作过程中的每个细小环节都要十分谨慎,随时用万用表测量应变片是否断路和短路,发现后及时补救。
c.此种工艺的关键是引出线的地方,如果处理不好,潮气往往从这里进去,因此在缠绕胶布时要裹紧,充满胶。
d.在后张法纵向预应力筋上贴片时,贴片位置要沿纵向错开。
以免在同一断面附近应变片集中过多,实验不方便。
5.2.2直芯管力学实验
对于直管卡箍我们采取轴向施压,对比直芯管未加卡箍与安装灌浆卡箍后,到达屈服极限所需的正压力。
同时为了验证4.1节仿真的正确性,我们在直管中央粘贴应变片4枚见图5.8,均布在直管中央四周。
在施压过程中提取与仿真相同压力值下的应变值,这样我们可以和仿真结果进行对比,进而保证了仿真的真是可靠。
图5.8分别为直管测量和补偿应变片
根据仿真正压力最大需要50吨,因此选用哈尔滨工程大学材料力学实验室200t压力机作为本次实验的压力设备,见图5.9。
将直芯管安装在200t压力机上,如图5.10所示。
根据仿真数据,从10吨开始起压,直至出现屈服现象。
图5.9力学实验室200t压力机图5.10压力机直芯管装夹
在施压过程中,按照事先做好的编号记录4枚应变片所测出的应变,求出平均值
,根据应力应变公式
可以求出应力值,根据实际直管材料为冷轧钢板,根据机械手册冷轧钢的杨氏模量
数据处理结果见表5.4。
表5.4直芯管力学实验结果与仿真结果对比
施加力(吨)
应变值1号
应变值2号
应变值3号
应变值4号
平均应变
应力σ(MP)
仿真σ(MP)
差值Δσ(MP)
10
-495
-258
-356
-254
-340.75
69.85375
68.933
0.92075
15
-666
-424
-515
-431
-509
104.345
103.102
1.243
17
-738
-492
-579
-504
-578.25
118.5413
117.244
1.29725
18
-770
-492
-579
-504
-586.25
120.1813
123.766
-3.58475
19
-809
-561
-641
-579
-647.5
132.7375
130.826
1.9115
20
-839
-596
-674
-618
-681.75
139.7588
137.271
2.48775
21
-877
-635
-706
-655
-718.25
147.2413
144.705
2.53625
22
-910
-674
-738
-695
-754.25
154.6213
151.366
3.25525
23
-942
-708
-768
-730
-787
161.335
157.854
3.481
24
-971
-740
-792
-765
-817
167.485
165.872
1.613
27
-1076
-856
-891
-892
-928.75
190.3938
186.056
4.33775
30
-1169
-950
-980
-1004
-1025.7
210.2788
206.378
3.90075
33
-1267
-1061
-1069
-1122
-1129.7
231.5988
227.264
4.33475
36
-1362
-1179
-1158
-1249
-1237
253.585
247.519
6.066
39
-1446
-1299
-1248
-1384
-1344.2
275.5713
268.87
6.70125
42
-1522
-1414
-1363
-1538
-1459.2
299.1463
290.824
8.32225
45
-1574
-1636
-1512
-1780
-1625.5
333.2275
308.739
24.4885
48
-1896
-2024
-2000
-2000
-1980
405.9
329.897
76.003
对比实验应力数据与仿真应力数据,可以看出未发生屈服之前,其发展趋势以及数据大小都完全吻合,应力差值趋势见图5.11。
从图中可以看出实验应力与仿真应力差值,在未发生屈服之前都保持在10MP以内,所以可以说明前期所做的立管静力学有限元分析是正确的。
图5.11实验应力与仿真应力差值
5.2.3直管卡箍力学实验
直管卡箍灌浆完成一周后,待水泥完全凝固,进行直管卡箍力学实验。
应变片贴在直管内部,因此在施压是下面需要垫出空隙,以便将导线引出,见图5.12。
图5.12直管卡箍力学实验
在施压过程中,按照事先做好的编号记录2枚应变片所测出的应变,求出平均值
,根据应力应变公式
可以求出应力值,根据实际直管材料为冷轧钢板,根据机械手册冷轧钢的杨氏模量
数据处理结果见表5.5。
表5.5直管卡箍与直芯管力学实验结果对比
施加力(吨)
应变值1号
应变值2号
平均应变
直管卡箍应力(MP)
直芯管应力(MP)
差值(MP)
10
303
230
266.5
54.6325
69.8
15.1675
15
451
371
411
84.255
104.3
20.045
18
533
441
487
99.835
120.1
20.265
21
621
515
568
116.44
147.2
30.76
24
699
601
650
133.25
167.4
34.15
27
772
664
718
147.19
190.3
43.11
30
861
785
823
168.715
210.2
41.485
33
909
876
892.5
182.9625
231.5
48.5375
36
1046
965
1005.5
206.1275
253.5
47.3725
39
1199
1093
1146
234.93
275.5
40.57
42
1358
1168
1263
258.915
299.1
40.185
45
1349
1024
1186.5
243.2325
333.2
89.9675
对比装卡箍后实验应力与直芯管应力数据,可以看出未发生屈服之前,其发展趋势相同,但是相同压力下直芯管应力减小,应力差值趋势见图5.13。
图5.13直管卡箍与直芯管力学实验结果对比图
由图5.11可以看出直管被泥浆箍紧后,相同正压力下直管中心的轴向应力值明显下降,很好地说明了灌浆卡箍对平台立管的加强作用。
5.2.4直管卡箍极限载荷破坏试验
在进行完直管卡箍与直芯管力学对比实验后,继续加压直至到达极限载荷。
压力加至48吨时,发生塑性变形见图5.14。
图5.14直管卡箍极限载荷破坏实验
由图中可以看出,管壁已近发生塑性变形,但卡箍包围部分没有发生塑性变形。
继续加压到达49.5吨时,达到极限载荷,工件发生严重塑性变形,认为工件此时已近被破坏,卸下卡箍进行观察分析,见图5.15。
图5.15直
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