本發(fā)明涉及一種夾持器，特別是涉及一種高軸向應(yīng)力碳纖維高壓寬溫夾持器

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)巖土工程力學(xué)實驗中，常常需要進行力學(xué)三軸實驗。該實驗需要一種專用夾持器，將樣品裝夾在其中并施加模擬地層壓力的圍壓，然后在兩端施加壓力，最終通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得樣品的力學(xué)參數(shù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的三軸力學(xué)越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)實驗的需求。例如，為了施加較大的軸向應(yīng)力，需要的設(shè)備本身也越來越大，動則數(shù)噸甚至幾十噸，而為了實現(xiàn)某些特殊的功能，例如在ct內(nèi)掃描三軸的動態(tài)圖像，需要整體設(shè)備重量控制在數(shù)十公斤以下，因此，急需超小型化的三軸實驗夾持器來滿足這樣的需求。

本發(fā)明通過分離軸向承載與周向承載構(gòu)件，可以同時實現(xiàn)高圍壓以及高的軸向載荷。圍壓可以高達100mpa，軸向載荷可以高達1000kn。通過調(diào)整軸向承載與周向承載的碳纖維構(gòu)件的參數(shù)，可以達到更高的圍壓及軸向載荷。而在實現(xiàn)上述力學(xué)參數(shù)的同時，整個設(shè)備的重量可以控制在幾公斤到數(shù)十公斤以內(nèi)。

本發(fā)明通過選擇高溫樹脂進行碳纖維纏繞，可以在不高于200℃的環(huán)境下工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高軸向應(yīng)力碳纖維高壓寬溫夾持器，其能夠承受內(nèi)部壓力及較高的軸向應(yīng)力，也適用于高溫高壓的環(huán)境，使用方便，易于制造和生產(chǎn)。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種高軸向應(yīng)力碳纖維高壓寬溫夾持器，其特征在于，其包括內(nèi)筒、軸向承壓碳纖維纏繞筒、周向承壓碳纖維纏繞筒，軸向承壓碳纖維纏繞筒用于承載內(nèi)筒的軸向應(yīng)力，軸向承壓碳纖維纏繞筒的周向應(yīng)力趨近于零；周向承壓碳纖維纏繞筒用于承載內(nèi)筒的周向應(yīng)力，周向承壓碳纖維纏繞筒的軸向應(yīng)力趨近于零。

優(yōu)選地，所述內(nèi)筒包括第一軸向承力肩、第一密封段、功能段、第一傳力端頭、第二傳力端頭、第二密封段、第二軸向承力肩，第一軸向承力肩與第一傳力端頭連接，第一密封段位于第一軸向承力肩內(nèi)，功能段的兩端分別與第一軸向承力肩、第二軸向承力肩連接，第二密封段位于第二軸向承力肩內(nèi)，第二傳力端頭與第二軸向承力肩連接。

優(yōu)選地，所述碳纖維纏繞筒為分開的內(nèi)外兩層，分別承擔(dān)軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力。

優(yōu)選地，所述內(nèi)筒為薄壁圓筒，材質(zhì)為致密材料，可以自然實現(xiàn)對內(nèi)部介質(zhì)的防滲漏功能。

優(yōu)選地，所述內(nèi)筒為一體結(jié)構(gòu)或為拼裝結(jié)構(gòu)，這樣方便根據(jù)需要采用不同的內(nèi)筒材料及內(nèi)筒制造。

本發(fā)明的積極進步效果在于：本發(fā)明能夠采用多層碳纖維，實現(xiàn)周向受力與軸向受力分開，在保證質(zhì)量輕、體積小的前提下，能承受遠(yuǎn)大于周向應(yīng)力的軸向應(yīng)力，適用于高溫高壓高軸向應(yīng)力的環(huán)境；軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力分開，不互相影響，質(zhì)量輕、強度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高軸向應(yīng)力碳纖維高壓寬溫夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中內(nèi)筒的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中內(nèi)筒的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明中周向承壓碳纖維纏繞的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中軸向承壓碳纖維纏繞的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明的一種具體使用時的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1至圖5所示，本發(fā)明高軸向應(yīng)力碳纖維高壓寬溫夾持器包括內(nèi)筒1、軸向承壓碳纖維纏繞筒2、周向承壓碳纖維纏繞筒3，軸向承壓碳纖維纏繞筒2用于承載內(nèi)筒的軸向應(yīng)力，軸向承壓碳纖維纏繞筒的周向應(yīng)力趨近于零；周向承壓碳纖維纏繞筒用于承載內(nèi)筒的周向應(yīng)力，周向承壓碳纖維纏繞筒的軸向應(yīng)力趨近于零。

內(nèi)筒1包括第一軸向承力肩4、第一密封段5、功能段6、第一傳力端頭7、第二傳力端頭8、第二密封段9、第二軸向承力肩10，第一軸向承力肩4與第一傳力端頭7連接，第一密封段5位于第一軸向承力肩4內(nèi)，功能段6的兩端分別與第一軸向承力肩4、第二軸向承力肩10連接，第二密封段9位于第二軸向承力肩10內(nèi)，第二傳力端頭8與第二軸向承力肩10連接。

內(nèi)筒中間的功能段可以采用一體式的結(jié)構(gòu)，也可采用拼裝式(見圖3)的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)具體需要換不同的材料，如金屬：鈦、鋁，或塑料或橡膠等，內(nèi)筒很薄，不做任何受力要求，僅要求穿透性。因此該夾持器具有x-ray可穿透性。本發(fā)明所受的軸向力由軸向承力碳纖維纏繞筒，周向力由周向承壓碳纖維纏繞筒承擔(dān)，所以該部位不會因受力原因而破壞。

功能段的周圍纏繞多層碳纖維，利用碳纖維極強的抗壓能力，使得周向承壓碳纖維纏繞筒的主要承受周向壓力。

軸向承力碳纖維纏繞筒是在軸向承力肩上按照一定的角度纏繞碳纖維，使得軸向承力碳纖維纏繞筒主要承受軸向應(yīng)力。碳纖維對于射線的吸收非常微小，所以可以作為樣品的承載容器，在有射線穿透要求的環(huán)境下使用。

功能段為一段薄壁的圓筒，材料為鈦合金、鋁合金、非金屬材料等，其主要功能是對內(nèi)部的介質(zhì)(氣體或液體)起到一個密封的作用，對將纏繞在其外部的周向承載碳纖維纏繞筒起到支撐的作用，在實驗時，其較薄的厚度及低密度、無磁性等特性，便于外部探測儀器對其內(nèi)部的樣品進行檢測；功能段可選用塑料或橡膠等，由于碳纖維和塑料對磁場無影響，故可配合要求無磁環(huán)境的儀器里使用，如核磁共振。

內(nèi)筒還包括變徑段、轉(zhuǎn)接段等，變徑段連接功能段與密封段。該段厚度逐漸增加，最后的厚度可以承受設(shè)計的內(nèi)部壓力。變徑的目的，一是為了便于周向承載碳纖維纏繞筒的收口，二是為了逐漸承擔(dān)內(nèi)部的壓力載荷。這一部分厚度的變化將不影響功能段內(nèi)樣品的測試。密封段為圍壓的密封段，內(nèi)部有光潔度及公差要求，可實現(xiàn)圍壓的密封。轉(zhuǎn)接段為內(nèi)螺紋或外螺紋，可利用該螺紋實現(xiàn)與外部設(shè)備的聯(lián)接。軸向力可以通過這兩個螺紋傳遞。承力肩用于纏繞軸向承載碳纖維筒，是重要的受力結(jié)構(gòu)，該部分的外徑及厚度決定了本發(fā)明可以承受的軸向力。

周向承壓碳纖維纏繞筒作用如下：該碳纖維纏繞筒緊密地纏繞在功能段上，經(jīng)過變徑段后收口。內(nèi)部的壓力通過內(nèi)筒功能段傳遞到該碳纖維筒上，并由該碳纖維筒主要承載。

軸向承壓碳纖維纏繞筒作用如下：該碳纖維纏繞筒繞過內(nèi)筒的上下承力肩纏繞，用于承擔(dān)軸向的拉力。通過改變纏繞的參數(shù)如纏繞角度、厚度等等，可以實現(xiàn)不同的軸向力承載。

碳纖維纏繞筒對于射線的穿透性、磁場的穩(wěn)定性均無影響或影響很小，故此，采用碳纖維纏繞在實現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的同時，可以用在對射線穿透性、磁場穩(wěn)定性有要求的場合，例如ct掃描儀、核磁共振儀等。特別的，內(nèi)筒功能段為薄壁圓筒，材料可根據(jù)使用環(huán)境選用。例如鈦合金可同時滿足高溫、高射線穿透、無磁性等要求；橡膠內(nèi)筒可滿足高射線穿透、無磁性、低重量等要求；聚四氟乙烯內(nèi)筒可同時滿足耐腐蝕、高溫、高射線穿透、無磁性、低重量等要求。

如圖6所示，樣品15置于內(nèi)壓為p的內(nèi)筒功能段處；上端由密封段12密封，有螺紋壓蓋11壓住；下端由可上下移動的活塞13密封；夾持器由下端外螺紋14與外部構(gòu)件固定；活塞13由外部施加向上的推力，例如，1000kn。此時受力情況：受內(nèi)壓p作用，在內(nèi)筒及周向承壓碳纖維纏繞筒3產(chǎn)生周向內(nèi)應(yīng)力，在外部的軸向承壓碳纖維纏繞筒2內(nèi)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力；受軸向推力作用，由于下端外螺紋14的固定作用，在軸向承壓碳纖維纏繞筒2內(nèi)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力；在內(nèi)筒內(nèi)壓p和軸向推力的共同作用下，樣品處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，且軸向壓應(yīng)力可以遠(yuǎn)大于其它兩向應(yīng)力。

改變碳纖維纏繞時使用的樹脂，例如采用高溫樹脂，本發(fā)明即可用在高溫的環(huán)境下。一般地，本發(fā)明的使用溫度范圍為-40℃～200℃。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。