复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备及方法

技术领域

本发明涉及环境疲劳及耐久性实验技术领域，具体涉及一种复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备及方法。

背景技术

陆上交通、船舶与海洋工程、水利水电、港口、风力发电、航空、土木建筑、工程机械等领域的重大装备或重大工程结构，往往是在各种服役环境与荷载耦合作用下工作的，其服役环境具有多样性和时变性，其承受的外载往往是随时间和空间变化的变幅荷载甚至是随机荷载。对于这些重大装备及重大工程结构的抗疲劳/耐久性设计及安全评价，目前所依据的实验数据大都是来自材料(试件)或小构件的恒幅疲劳实验、以及数量极少的变幅荷载疲劳实验。除了飞机等有整机的疲劳验证实验外，其他民用领域的重大结构和装备的结构疲劳实验很难实现。

关于服役环境对结构疲劳寿命/耐久性的影响，目前为数极少的结构环境疲劳/耐久性实验，也都是采用传统的实验方法，即先进行环境预处理，然后在室温大气环境下实施疲劳实验的方法，而无法实现在各种环境与动载耦合作用下的结构疲劳/耐久性实验。也就是说，目前的结构疲劳实验条件(环境与荷载)显然与上述重大装备及重大工程结构的实际服役条件有着较大的差别，而采用材料或小构件实验所获得的疲劳实验数据为依据进行重大装备及重大工程结构的抗疲劳设计和安全评价，由于无法考虑材料性能的尺度效应，亦无法再现结构的复杂几何形状对材料性能的影响，其结果将会留下安全隐患或者采取极其保守的设计方法而增加成本和浪费资源。

为了比较经济、准确地获得上述重大装备及重大工程结构在实际服役环境与荷载耦合作用下的抗疲劳/耐久性能，首先需要开展模拟其服役环境与荷载耦合/共同作用下的足尺结构疲劳/耐久性加速实验。然而，目前的环境模拟设备，面临着以下主要困难：

1)无法实现低温低湿(例如：5～20℃时≤40％R·H，)环境的模拟和控制；

2)只能在某一试验舱内实现单一环境，无法实现多变环境模式，仿真度低；

3)无法实现≤-60℃低温环境的模拟和控制；

4)无法适用如桥梁、深海平台、港口、水坝、舰船、航空器等大型结构物及小型构件的服役环境的模拟。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备。此复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备可实现多低湿低湿等特定环境的模拟，还可满足大型结构物及小型构件的服役环境的模拟。

同时，本发明的另一目的是提供了一种复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备，包括控制终端和至少一个试验舱，各个试验舱依次连接，且相邻2个试验舱之间设有活动隔门；每个试验舱设有独立的环境模拟机构和控制机构，所述环境模拟机构与控制机构连接，所述控制机构与控制终端连接；

所述环境模拟机构包括集成一体的加热单元、制冷单元和加湿除湿单元，所述制冷单元包括低压压缩机组、高压压缩机组、热交换器和蒸发器；所述低压压缩机组通过第一管道与热交换器的管程通道的入口连接，所述热交换器的管程通道的出口通过第二管道与蒸发器连接；所述第一管道连接有第三管道，此第三管道与蒸发器连接；所述高压压缩机组通过第四管道与热交换器的壳程通道的入口连接，所述热交换器的壳程通道的出口通过第五管道与高压压缩机组连接；所述蒸发器安装于试验舱，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和第五管道均设有阀门。

优选的，所述第一管道与第三管道的连接处与低压压缩机组之间的第一管道设有预冷器，所述第四管道设有冷凝器，此冷凝器位于高压压缩机组和热交换器之间。

优选的，所述第三管道与低压压缩机组之间连接有第六管道，此第六管道与第一管道之间连接有膨胀容箱。

优选的，所述加湿除湿单元包括除湿器、加湿喷嘴、蒸汽锅炉，所述除湿器和加湿喷嘴均安装于试验舱，所述蒸汽锅炉与加湿喷嘴连接。

优选的，所述加热单元包括加热器，此加热器安装于试验舱。

优选的，所述环境模拟机构还包括淋雨单元，所述淋雨单元包括储水箱、水泵、过滤器、压力罐和淋雨喷嘴，所述淋雨喷嘴通过喷淋管道安装于试验舱，所述储水箱、过滤器、水泵和压力罐依次连接，所述压力罐的出口与喷淋管道连接。

优选的，所述环境模拟机构还包括盐雾单元，所述盐雾单元包括盐水储备箱、盐水补给箱、喷雾塔、饱和发生器、第一油水分离器、储气罐、第二油水分离器、空压机和盐雾喷嘴，所述盐水储备箱的出水口与净水器连接，所述净水器通过饱和发生器与喷雾塔的入口连接，所述喷雾塔的出口通过盐雾管道与安装于试验舱的盐雾喷嘴连接，所述喷雾塔的回流口与盐水补给箱连接，所述盐水补给箱通过补水泵与盐雾储备箱连接，所述空压机、第二油水分离器、储气罐、第一油水分离器与饱和发生器依次连接。

优选的，所述环境模拟机构还包括碳化单元，所述碳化单元包括二氧化碳液态储罐、二氧化碳净化器和碳化喷嘴，所述二氧化碳液态储罐与二氧化碳净化器连接，所述碳化喷嘴通过碳化管道安装于试验舱，所述二氧化碳净化器通过碳化管道与碳化喷嘴连接。

优选的，所述控制机构包括控制柜、控制器、交换机、温度传感器、湿度传感器和触摸屏，所述控制器和交换机均安装于控制柜内，所述温度传感器和湿度传感器安装于试验舱内，所述触摸屏安装于试验舱的外壁，且所述温度传感器、湿度传感器、触摸屏和交换机均与控制器连接，所述控制器与控制终端连接。

优选的，所述试验舱的内腔被分隔形成第一工作室和第二工作室，所述第一工作室和第二工作室的顶端相通，且所述第一工作室的顶部安装有循环风机。

一种基于上述的复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟与控制方法，其包括以下步骤：

低压压缩机组和高压压缩机组之间通过热交换器连接以构成复叠式制冷，且高压压缩机组与热交换器之间形成高压制冷循环，其中低压压缩机组制得的制冷介质通过热交换器时，则高压制冷循环对低压压缩机组制得的制冷介质再次降温，被再次降温的制冷介质进入到试验舱后，从而对试验舱内快速降温；

与此同时，加湿除湿单元对试验舱内的湿度进行控制，从而使试验舱内实现低温低湿环境。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备采用至少一个试验舱，各个试验舱之间设置活动隔门，各个试验舱都设置独立的环境模拟机构和控制机构，从而可实现多环境因素的任意组合，则各个试验舱可单独或共同使用，以满足桥梁、深海平台、港口、水坝、舰船、航空器等大型结构物和小型构件的实验需求；同时不仅能实现单一环境的实验，还能实现多环境的任意组合。

2、本复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备中的环境模拟机构主要由加热单元、制冷单元和加湿除湿单元集成一体，制冷单元中低压压缩机组、高压压缩机组和热交换器连接，在低压压缩机组、高压压缩机组和热交换器等的共同作用下，可实现低温低湿(如5～20℃时，小于或等于40％R·H)环境模拟，还可实现温度小于或等于-60℃低温环境的模拟。

3、本复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备，适合多环境(恒温恒湿、干湿循环、交变湿热循环、盐雾、时变温度-盐雾循环、冻融、淋雨、碳化环境)的模拟。

4、采用本复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备进行的环境模拟方法可突破常规的低温低湿(5℃～40℃及20％H·R 40％H·R)环境的模拟与控制。

附图说明

图1是本发明的复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备的结构示意图。

图2是本发明的试验舱的内部结构示意图。

图3是本发明的制冷单元的结构示意图。

图4是本发明的加热单元、加湿除湿单元等的结构示意图。

图5是本发明的控制机构的结构示意图。

图6是本发明的淋雨单元的结构示意图。

图7是本发明的盐雾单元的结构示意图。

图8是本发明的碳化单元的结构示意图。

图9是本发明的湿热环境模拟范围示意图。

其中，1为试验舱，2为活动隔门，3为加热单元，4为制冷单元，5为加湿除湿单元，6为低压压缩机组，7为高压压缩机组，8为热交换器，9为冷凝器，10为蒸发器，11为第一管道，12为第二管道，13为第三管道，14为第四管道，15为第五管道，16为阀门，17为预冷器，18为第六管道，19为膨胀容箱，20为除湿器，21为加湿喷嘴，22为蒸汽锅炉，23为加热器，24为淋雨单元，25为储水箱，26为水泵，27为过滤器，28为压力罐，29为淋雨喷嘴，30为喷淋管道，31为盐雾单元，32为盐雾储备箱，33为盐水补给箱，34为喷雾塔，35为饱和发生器，36为第一油水分离器，37为储气罐，38为第二油水分离器，39为空压机，40为盐雾喷嘴，41为盐雾管道，42为补水泵，43为碳化单元，44为二氧化碳液态储罐，45为二氧化碳净化器，46为碳化喷嘴，47为碳化管道，48为控制柜，49为控制器，50为交换机，51为温度传感器，52为湿度传感器，53为触摸屏，55为第一工作室，56为第二工作室，57为循环风机，58为净水器，59为阀门组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示的复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备，包括控制终端和至少一个试验舱，各个试验舱依次连接，且相邻2个试验舱之间设有活动隔门；每个试验舱设有独立的环境模拟机构和控制机构，所述环境模拟机构与控制机构连接，所述控制机构与控制终端连接；

所述环境模拟机构包括集成一体的加热单元、制冷单元和加湿除湿单元，所述制冷单元包括低压压缩机组、高压压缩机组、热交换器和蒸发器；所述低压压缩机组通过第一管道与热交换器的管程通道的入口连接，所述热交换器的管程通道的出口通过第二管道与蒸发器连接；所述第一管道连接有第三管道，此第三管道与蒸发器连接；所述高压压缩机组通过第四管道与热交换器的壳程通道的入口连接，所述热交换器的壳程通道的出口通过第五管道与高压压缩机组连接；所述蒸发器安装于试验舱，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和第五管道均设有阀门。

实施例中，试验舱采用5个。各个试验舱均设置独立的环境模拟机构和控制机构，各个试验舱的控制机构对相对应的环境模拟机构进行控制，以使试验舱内模拟出试验需求的环境，如低温低湿环境、恒温恒湿及交变湿热循环、盐雾、时变温度-盐雾循环、冻融、淋雨和碳化等环境，而各个控制机构将检测到的数据汇总到控制终端。试验舱的舱壁采用发泡库板式结构(外侧为彩钢板，内侧为不锈钢板，中间为聚氨酯发泡)，以达到保温防腐的效果，同时也避免试验舱内的环境受外界的影响。由于各个试验舱之间设有活动隔门，则这可同时对多个不同层级尺寸的试件实施相同环境和不同环境与荷载耦合/共同作用下的环境疲劳/耐久性实验，是利用各个试验舱和加载装置能够独立工作的功能来实现。

加热单元、制冷单元和加湿除湿单元集成一体，则各个单元之间可采用共用的管道，方便安装维护，如图4所示。而制冷单元中的低压压缩机组和高压压缩机组采用双组半封闭压缩机组成机械复叠式制冷机组。即低压压缩机组和高压压缩机组均与热交换器连接。其中高压压缩机组、第四管道、热交换器的壳程通道和第五管道形成高压制冷循环，而低压压缩机组制得冷量在通过热交换器的管道通道时，高压压缩机组制得的冷量进入热交换器的壳程通道，则低压压缩机构制得的冷量通过热交换器的管道通道时会进一步吸收壳程通道中的冷量，以获得更低的温度，接着管程通道中的冷量吸收完壳程通道的冷量后进入试验舱的蒸发器中，以对试验舱进行降温，从而使试验舱的温度降到小于或等于-60℃，以满足实验的低温环境要求。而当需要低温低湿环境时，制冷单元和加湿除湿单元共同工作，即低压压缩机组制得的冷量通过第一管道和第三管道直接送入到试验舱的蒸发器中或通过热交换器后送入试验舱的蒸发器中，以满足实验要求的低温效果，以此同时，加湿除湿单元中的蒸汽锅炉工作，以将蒸汽形态的水分通过加湿喷嘴送入试验舱，以提高试验舱的湿度。而对于低压压缩机组制得的冷量是直接通过第一管道和第三管道送入蒸发器，还是先通过热交换器后再送往蒸发器，可通过阀门进行控制。

所述第一管道与第三管道的连接处与低压压缩机组之间的第一管道设有预冷器，所述第四管道设有冷凝器，此冷凝器位于高压压缩机组和热交换器之间。采用预冷器对低压压缩机组制得的冷量进一步降温，以确保满足实验需求。而冷凝器可进一步提高制冷单元中高压压缩机构和低压压缩机组之间的冷量传输效率。

所述第三管道与低压压缩机组之间连接有第六管道，此第六管道与第一管道之间连接有膨胀容箱。设置膨胀容箱可对低压压缩机组起到保护作用，避免低压压缩机组中的压力过大影响制冷。而为进一步提高安全性，在第一管道与低压压缩机组的回路之间设置旁通管道，且此旁通管道设置旁通阀。同时在第四管道和第五管道之间也设置旁通管道，且此旁通管道也设置旁通阀。

所述加湿除湿单元包括除湿器、加湿喷嘴、蒸汽锅炉，所述除湿器和加湿喷嘴均安装于试验舱，所述蒸汽锅炉与加湿喷嘴连接。除湿器可直接自市场购买，以减少成本。除湿器直接安装于试验舱，以调整试验舱内环境的中的湿度，确保试验舱内的环境符合实验要求。而需要提高试验舱内的湿度时，蒸汽锅炉产生的蒸汽自加湿喷嘴送入试验舱，提高试验舱内环境的温度。此结构简单，安装方便。

所述加热单元包括加热器，此加热器安装于试验舱，如图2和图4所示。加热单元安装于试验舱内，利用控制机构控制电加热器的启动或关闭，从而调整试验舱内的温度。

如图6所示，所述环境模拟机构还包括淋雨单元，所述淋雨单元包括储水箱、水泵、过滤器、压力罐和淋雨喷嘴，所述淋雨喷嘴通过喷淋管道安装于试验舱，所述储水箱、过滤器、水泵和压力罐依次连接，所述压力罐的出口与喷淋管道连接。具体的，喷淋管道采用悬挂方式安装于试验舱内的顶部，而喷淋管道通过连接管与压力罐的出口连接，喷淋管道与连接管之间可采用快速接口连接。此结构方便喷淋管道的拆装，即需要使用淋雨环境时，可将喷淋管道快速安装于试验舱，而不需要使用淋雨环境时，可拆卸喷淋管道，以方便试验舱创造各种环境条件。在工作过程中，水泵自储水箱抽取的水通过过滤器和压力罐后，再通过淋雨喷管送至试验舱内，这可方便调整雨水的降雨量，以确保试验的有效进行。

如图7所示，所述环境模拟机构还包括盐雾单元，所述盐雾单元包括盐水储备箱、盐水补给箱、喷雾塔、饱和发生器、第一油水分离器、储气罐、第二油水分离器、空压机和盐雾喷嘴，所述盐水储备箱的出水口与净水器连接，所述净水器通过饱和发生器与喷雾塔的入口连接，所述喷雾塔的出口通过盐雾管道与安装于试验舱的盐雾喷嘴连接，所述喷雾塔的回流口与盐水补给箱连接，所述盐水补给箱通过补水泵与盐雾储备箱连接，所述空压机、第二油水分离器、储气罐、第一油水分离器与饱和发生器依次连接。工作中，盐水储备箱中的盐水进入饱和发生器调整浓度后，再通过喷雾塔将盐雾输送到试验舱内，以使试验舱内的环境达到试验要求。而饱和发生器、喷雾塔、盐水被给箱、盐雾储备箱形成循环环路，这提高盐水的利用率，避免浪费。

如图8所示，所述环境模拟机构还包括碳化单元，所述碳化单元包括二氧化碳液态储罐、二氧化碳净化器和碳化喷嘴，所述二氧化碳液态储罐与二氧化碳净化器连接，所述碳化喷嘴通过碳化管道安装于试验舱，所述二氧化碳净化器通过碳化管道与碳化喷嘴连接。为更精确控制输入试验舱的碳含量，以碳化管道设有阀门组件。而二氧化碳净化器可排除杂质，可进一步提高输入的清度，避免影响实验结果。

如图5所示，所述控制机构包括控制柜、控制器、交换机、温度传感器、湿度传感器和触摸屏，所述控制器和交换机均安装于控制柜内，所述温度传感器和湿度传感器安装于试验舱内，所述触摸屏安装于试验舱的外壁，且所述温度传感器、湿度传感器、触摸屏和交换机均与控制器连接，所述控制器与控制终端连接。采用温度传感器和湿度传感器等实时检测试验舱内的参数，以将检测数据通过交换机输送给控制器，则控制器可发出更精确的控制指令控制环境模拟机构工作，以确保实验有效进行。其中，触摸屏为COM1/2，控制器WP1M_20R2PT(可编程逻辑控制器，PLC)，交换机为CISCO WS-C2960X-48TS-L。

如图2和图4所述试验舱的内腔被分隔形成第一工作室和第二工作室，所述第一工作室和第二工作室的顶端相通，且所述第一工作室的顶部安装有循环风机。具体的，第一工作室用于安放加热器、除湿器和蒸发器等设备，而第二工作室用于放置承台、工装夹具和试件，在第二工作室的侧壁设有观察窗，复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的加载装置中的传力杆穿入第二工作室内，以对试件进行加载。同时第一工作室和第二工作室相通，且在第一工作室设置风道，则加热器和蒸发器产生的热量及冷量可通过循环风机输送到第二工作室，使第二工作室中的室内环境达到试验要求，从而使试件在符合要求的环境中进行环境疲劳/耐久性实验。

采用上述的环境模拟设备可实现的实验环境有恒温恒湿、干湿循环、交变湿热循环、盐雾、时变温度-盐雾循环、冻融、淋雨、碳化环境，其温度范围为-70～100℃；相对湿度范围为20～98％H·R，交变湿热循环范围为(5℃：40～98％H·R；20℃：31.4～98％H·R；40～85℃：20～98％H·R)，如图9所示，其中区域Ⅲ为低温低湿环境；盐雾沉降量为0.3～5ml/80cm

一种基于上述的复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟方法，包括以下步骤：

低压压缩机组和高压压缩机组之间通过热交换器连接以构成复叠式制冷，且高压压缩机组与热交换器之间形成高压制冷循环，其中低压压缩机组制得的制冷介质通过热交换器时，则高压制冷循环对低压压缩机组制得的制冷介质再次降温，被再次降温的制冷介质进入到试验舱后，从而对试验舱内快速降温；

与此同时，加湿除湿单元对试验舱内的湿度进行控制，从而使试验舱内实现低温低湿环境。

如图9所示，当采用本发明的基于上述的复杂环境下结构疲劳/耐久性实验系统的环境模拟设备进行环境模拟时，以达到的低温低湿环境(5℃、40％H·R和5℃、55％H·R以及40℃、20％H·R所围成的三角形区域III)的模拟。其中图9中的区域I为常规模拟环境的温度和湿度，区域II为增加的低温模拟范围。

为保证低温低湿环境的持续性，本发明加大蒸发器的翅片间距，以减少蒸发器结霜堵塞情况发生。还引一路压缩机排气高温制冷剂通过PLC控制定期瞬间引入蒸发器，在不影响试验舱内温度的情况下融化翅片结霜从而持续实现低温低湿环境。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。