本發(fā)明屬于管道設(shè)計制造領(lǐng)域，具體地，涉及一種壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置及實驗方法。

背景技術(shù)：

管道斷裂實驗在確定管道斷裂特性方面有重要的應(yīng)用，現(xiàn)階段的管道斷裂實驗可分為小型的實驗室實驗、大型的實驗室實驗和實際的結(jié)構(gòu)實驗。小型的實驗室實驗包括：三點彎曲試驗、緊湊拉伸試驗和落錘試驗等，小型的實驗室實驗采用小試件研究斷裂特性，管材試件與實際管道存在尺寸誤差、約束誤差等，影響對管道斷裂特性的判斷認識；大型的實驗室實驗如寬板試驗，對實驗機的加載能力要求極高，所需成本較高；實際的結(jié)構(gòu)實驗如全尺寸爆破試驗，全尺寸爆破試驗耗費極大的人力、物力，且實驗過程有極大的危險性。為解決上述問題，亟需設(shè)計一種專用的在管道上進行管道斷裂實驗的實驗裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種直接在管段上進行斷裂模擬實驗的裝置和實驗方法，運用該裝置可以實現(xiàn)在管段上安全的進行斷裂實驗，并且可以實時觀測裂紋擴展情況，以解決常規(guī)管道斷裂實驗試件制備困難、誤差較大、成本過高、危險性較大等難題，且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：

壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置，包括：管道支撐系統(tǒng)、管道擴撐系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、dic測試系統(tǒng)；管道支撐系統(tǒng)對實驗管段的兩端進行支撐；實驗管段的側(cè)壁開設(shè)有軸向穿透預(yù)制裂紋，預(yù)制裂紋關(guān)于實驗管段的軸向中面對稱；管道擴撐系統(tǒng)位于實驗管段的中部，對實驗管段施加膨脹壓力，導(dǎo)致預(yù)制裂紋擴展；動力系統(tǒng)為管道擴撐系統(tǒng)提供壓力動力；dic測試系統(tǒng)對實驗管段的斷裂過程進行實時觀測。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)、實驗試樣采用全尺寸管道試樣，直接從管道上截取，減小尺寸誤差、約束誤差等，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

(2)、實驗采用壓力驅(qū)動裝置，降低工作風(fēng)險，減少成本。

(3)、實驗過程中，通過控制氣囊的膨脹速度，可以控制裂紋的擴展速度，保證所得數(shù)據(jù)的精確性。

(4)、氣囊擁有足夠長的長度，膨脹過程中與管壁均勻接觸，保證實驗過程裂紋穩(wěn)定擴展。

(5)、運用dic測試裝置實時觀測裂紋擴展情況，方便獲取所需數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1是水壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置正視示意圖。

圖2是水壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置實驗過程中正視示意圖。

圖3是圖1的徑向的半剖示意圖。

圖4是圖2的徑向的半剖示意圖。

圖5是氣壓力膨脹式管道斷裂實驗裝置正視示意圖。

圖6是氣壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置實驗過程中正視示意圖。

圖7是圖5的徑向半剖示意圖。

圖8是圖6的徑向半剖示意圖。

其中：1、實驗管段，2、氣囊，3a、左上橡膠圈，3b、右上橡膠圈，4、dic(數(shù)字圖像相關(guān)方法)測試系統(tǒng)，5、輸出管，6a、左上金屬圈，6b、右上金屬圈，7a、左下橡膠圈，7b、右下橡膠圈，8a、第一動力系統(tǒng)，8b、第二動力系統(tǒng)，9a、第一閥門，9b、第二閥門，10、充水機，11、充氣機，12、抽氣機，13、抽水機，14、預(yù)制裂紋，15、光源，16、圖像采集器，17、計算機，18、管道支撐系統(tǒng)，19、管道擴撐系統(tǒng)，20a、左下金屬圈，20b、右下金屬圈，21、輸入管，22a、左上卡圈，22b、右上卡圈，23a、左下卡圈，23b、右下卡圈，24a、第一橡膠卡圈，24b、第二橡膠卡圈。

具體實施方式

實施例一

如圖1至圖4所示，水壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置，包括：管道支撐系統(tǒng)18、管道擴撐系統(tǒng)19、第一動力系統(tǒng)8a、dic測試系統(tǒng)4；管道支撐系統(tǒng)18對實驗管段1的兩端進行支撐；實驗管段1的側(cè)壁開設(shè)有軸向穿透預(yù)制裂紋14，預(yù)制裂紋14關(guān)于實驗管段1的軸向中面對稱；管道擴撐系統(tǒng)19位于實驗管段1的中部，對實驗管段1施加膨脹水壓力，導(dǎo)致預(yù)制裂紋14擴展；第一動力系統(tǒng)8a為管道擴撐系統(tǒng)19提供水壓動力；dic測試系統(tǒng)4對實驗管段1的斷裂過程進行實時觀測。

管道支撐系統(tǒng)18，包括：左上卡圈22a、左下卡圈23a、右上卡圈22b、右下卡圈23b、第一橡膠卡圈24a、第二橡膠卡圈24b；左上卡圈22a、左下卡圈23a位于實驗管段1的左端，左上卡圈22a由內(nèi)向外依次為左上橡膠圈3a、左上金屬圈6a，左下卡圈23a由內(nèi)向外依次為左下橡膠圈7a、左下金屬圈20a；左上卡圈22a、左下卡圈23a通過螺栓將實驗管段1的左端固定；右上卡圈22b、右下卡圈23b位于實驗管段1的右端，右上卡圈22b由內(nèi)向外依次為右上橡膠圈3b、右上金屬圈6b，右下卡圈23b由內(nèi)向外依次為右下橡膠圈7b、右下金屬圈20b；右上卡圈22b、右下卡圈23b通過螺栓將實驗管段1的右端固定；左上卡圈22a、左下卡圈23a與右上卡圈22b、右下卡圈23b相對于實驗管段1徑向中面完全對稱；第一橡膠卡圈24a、第二橡膠卡圈24b分別安裝于管道擴撐系統(tǒng)19的左右兩端，通過螺釘固定于實驗管段1的內(nèi)壁上。

管道擴撐系統(tǒng)19，包括：氣囊2、輸出管5、輸入管21、第一閥門9a、第二閥門9b；氣囊2關(guān)于實驗管段1的軸向中面左右對稱，氣囊2的左端安裝輸入管21，氣囊2的右端安裝輸出管5，在氣囊2與輸入管21和輸出管5之間分別安裝有第一閥門9a、第二閥門9b；第一橡膠卡圈24a、第二橡膠卡圈24b分別安裝于氣囊2的左右兩端，通過螺釘固定于實驗管段1的內(nèi)壁上。

第一動力系統(tǒng)8a，包括：充水機10、抽水機13；充水機10通過輸入管21與氣囊2相連提供水壓；抽水機13通過輸出管21與氣囊相連排出液體。

dic測試系統(tǒng)4，包括：計算機17、光源15、圖像采集器16；光源15對稱放置在實驗管段1預(yù)制裂紋14的上下兩側(cè)，圖像采集器16安置在預(yù)制裂紋14正前側(cè)，圖像采集器16可以完全錄制裂紋的擴展過程，圖像采集器16與計算機17相連，通過圖像采集器16采集的信息可以傳輸?shù)接嬎銠C17中，并做分析計算。

管道斷裂模擬實驗的實驗方法，采用上述水壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置，包括下述步驟：

1、將實驗管段1放置在左下卡圈23a、右下卡圈23b上，實驗管段1的左右兩端與分別與左下卡圈23a的左端、右下卡圈23b右端對齊；將左上卡圈22a、右上卡圈22b分別對齊左下卡圈23a、右下卡圈23b放置在實驗管段1上，同時用螺母、螺釘固定；然后將管道擴撐系統(tǒng)19放入含有預(yù)制裂紋14的實驗管段1中，調(diào)整氣囊2的左右對稱面與實驗管段1的軸向中面重合；

2、將光源15對稱放置在實驗管段1預(yù)制裂紋14的上下兩側(cè)，保證光源15的照射范圍能夠覆蓋預(yù)制裂紋14，然后將圖像采集器16安置在預(yù)制裂紋14的正前側(cè)，使圖像采集器16可以完全錄制裂紋的擴展過程，圖像采集器16與計算機17相連，完成dic測試系統(tǒng)4的安裝；

3、打開第一閥門9a，關(guān)閉第二閥門9b，分別將充水機10、抽水機13與輸入管21、輸出管5相連，實驗過程中，打開充水機10，氣囊2中緩慢充水，預(yù)制裂紋14的左右兩端因為氣囊2的擴張開始緩慢擴展，通過控制進水速度，可控制氣囊2的擴張速度，進而可控制預(yù)制裂紋14的擴展速度；圖像采集器16記錄裂紋擴展全過程并傳輸?shù)较噙B的計算機17中；計算機17進行相應(yīng)的后處理；實驗結(jié)束后，關(guān)閉第一閥門9a，打開第二閥門9b，打開抽水機13，利用抽水機13將氣囊2中的水排出。

實施例二

如圖5至圖8所示，氣壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置與實施例一的不同之處在于，采用第二動力系統(tǒng)8b替代第一動力系統(tǒng)8a；第二動力系統(tǒng)8b，包括：充氣機11、抽氣機12；充氣機11通過輸入管21與氣囊2相連提供氣壓；抽氣機12通過輸出管21與氣囊2相連排出氣體。

管道斷裂模擬實驗的實驗方法，采用上述氣壓力膨脹式管道斷裂模擬實驗裝置，與實施例一的不同之處在于：打開第一閥門9a，關(guān)閉第二閥門9b，分別將充氣機11、抽氣機12與輸入管21、輸出管5相連，實驗過程中，打開充氣機11，氣囊2中緩慢充氣，預(yù)制裂紋14的左右兩端因為氣囊2的擴張開始緩慢擴展，通過控制進氣速度，可控制氣囊2的擴張速度，進而可控制預(yù)制裂紋14的擴展速度。圖像采集器16記錄裂紋擴展全過程并傳輸?shù)较噙B的計算機17中；計算機17進行相應(yīng)的后處理；實驗結(jié)束后，關(guān)閉第一閥門9a，打開第二閥門9b，打開抽氣機12，利用抽氣機12將氣囊2中的水排出。