本發(fā)明涉及壓力載荷加載，具體涉及一種柔性加載的碳纖維扁平作動器。

背景技術：

1、在一些試驗中會涉及壓力載荷加載，如：深部巖體所處環(huán)境具有高地應力、高地溫與高巖溶水壓等特性，隨著地下深度遞增，深部巖體高應力場內積，使得深部巖土工程實施難度極大，因此需要進行試驗研究，為模擬深部多場耦合環(huán)境和工程擾動條件，精確觀察和控制巖體內部斷續(xù)結構與外部非線性行為演化過程，目前已開發(fā)不少巖土工程擾動模擬設施來進行試驗研究，其中很重要的一項措施就是對試樣進行壓力載荷加載。

2、但是，在巖土工程領域，通常遵循對大尺寸結構施加較低的壓力載荷、對于小尺寸結構施加較高的壓力載荷，目前的模擬設施普遍采用剛性加載方式，若要對大尺寸結構施加超高壓力，其反力架結構巨大，會占用大量空間，無法在狹小高度下安裝和施工，如，在有的巖土工程擾動模擬設施中，主艙內容積有限，放置立方體巖石試樣后，僅在巖石試樣四周有扁平空間余留，現有的作動器無法安裝。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種柔性加載的碳纖維扁平作動器，該作動器能在較小的高度空間內對大尺寸結構均勻施加超高壓力載荷。

2、本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種柔性加載的碳纖維扁平作動器，用于在較小的高度空間內對大尺寸結構均勻施加超高壓力載荷，整體呈扁平的矩形，包括金屬內膽和碳纖維纏繞鎧裝保護層；金屬內膽用于在內部填充液壓油并加壓從而在厚度方向產生均勻變形以輸出壓力載荷，其上下面分別采用上蓋板和下蓋板、上蓋板和下蓋板的外側面分布預埋件、四周側面均采用封頭、封頭上下邊通過加強筋板分別與上蓋板和下蓋板平滑過渡連接、進出油口設在封頭外側面，上蓋板和下蓋板等厚且厚于封頭、薄于加強筋板，封頭在未受力時為半橢圓截面、在受力時趨于半圓截面，加強筋板外側面設有用于安裝碳纖維纏繞工裝的接口，預埋件呈倒錐形；碳纖維纏繞鎧裝保護層用于纏繞包覆金屬內膽從而承擔載荷并保護金屬內膽，其由若干層碳纖維和環(huán)氧樹脂構成，其由預埋件拉緊并讓進出油口露出。

4、優(yōu)選地，金屬內膽采用奧氏體不銹鋼材質。

5、優(yōu)選地，碳纖維纏繞鎧裝保護層的碳纖維選用tz700級以上、環(huán)氧樹脂選用低黏度雙組分耐高溫環(huán)氧樹脂體系。

6、優(yōu)選地，封頭尺寸的確定方法是：先根據封頭在發(fā)生變形的情況下封頭形狀趨于半球形的原理以及作動器的尺寸和碳纖維纏繞鎧裝保護層的厚度得到封頭的外輪廓尺寸，再以封頭能承受碳纖維纏繞鎧裝保護層的張力以及一定的爆破壓力的強度要求，計算出封頭的最小壁厚，并考慮封頭加工工藝的可實施性，確定封頭的厚度。

7、優(yōu)選地，在金屬內膽中，上蓋板、下蓋板、預埋件、封頭、加強筋板和進出油口焊接為一個整體，焊接完成后做消應力處理。

8、優(yōu)選地，碳纖維纏繞鎧裝保護層的施工方法是：先通過進出油口向金屬內膽內充入一定壓力氣體并密封，以防止后續(xù)碳纖維纏繞和固化過程中封頭受纖維外力導致變形，然后利用加強筋板外側面上的接口安裝碳纖維纏繞工裝，從而將金屬內膽抬起并處于合適角度，然后安裝設計的角度和層數纏繞碳纖維，纏繞過程中碳纖維由預埋件拉緊，纏繞完成后對上蓋板和下蓋板上的平面進行打磨處理、去除多余環(huán)氧樹脂，再在上蓋板和下蓋板上的平面鋪設碳纖維布并進行固化，最后放泄金屬內膽內氣體。

9、優(yōu)選地，進出油口采用細牙螺紋孔實現外接并通過細牙螺紋孔后端的錐面實現密封。

10、優(yōu)選地，金屬內膽上部分封頭外側面設有吊裝件，吊裝件露出碳纖維纏繞鎧裝保護層且不與進出油口在同一封頭上。

11、優(yōu)選地，加強筋板和預埋件的邊緣圓滑處理。

12、優(yōu)選地，采用兩個進出油口分布在一對封頭上。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、為了占用較少的高度空間，該作動器設計成整體呈扁平狀且采用柔性加載方式，使用時，可以通過進出油口向金屬內膽內填充滿液壓油，再利用增壓設備通過進出油口緩慢向金屬內膽內加壓，金屬內膽受內壓后在厚度方向產生變形以輸出壓力載荷，無需設置反力架；為了確保變形方向為厚度方向且整個載荷輸出平面不變形，該作動器設計上蓋板和下蓋板等厚且厚于封頭、薄于加強筋板，封頭上下邊通過加強筋板分別與上蓋板和下蓋板平滑過渡連接，如此，加強筋板既能將厚度不同的封頭和上蓋板（下蓋板）有效連接，還能減少連接處加壓過程應力集中情況，因此，材料變形會集中在最薄的封頭區(qū)域（即，邊緣區(qū)域），上蓋板和下蓋板在內壓作用下整體移動、不發(fā)生拱形變形；為了讓金屬內膽薄弱部分能承受一定內壓，該作動器設計封頭在未受力時為半橢圓截面、在受力時趨于半圓截面，封頭在受力時趨于半圓截面是最優(yōu)受力狀態(tài)，能減少應力集中，如此，封頭能在實現較大變形量的同時能夠承受內壓；為了避免超高內壓破壞金屬內膽，該作動器設置碳纖維纏繞鎧裝保護層纏繞包覆金屬內膽，碳纖維纏繞鎧裝保護層可以承擔載荷并保護金屬內膽，金屬內膽僅起到提供液壓油容器的作用；為了讓碳纖維纏繞鎧裝保護層能充分發(fā)揮作用，該作動器設置倒錐形的預埋件，對于大尺寸的金屬內膽而言，在上蓋板和下蓋板上分布的預埋件可以對碳纖維纏繞鎧裝保護層形成眾多拉結點，降低了碳纖維性能的發(fā)揮系數損失。

技術特征：

1.一種柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：用于在較小的高度空間內對大尺寸結構均勻施加超高壓力載荷，整體呈扁平的矩形，包括金屬內膽和碳纖維纏繞鎧裝保護層；金屬內膽用于在內部填充液壓油并加壓從而在厚度方向產生均勻變形以輸出壓力載荷，其上下面分別采用上蓋板和下蓋板、上蓋板和下蓋板的外側面分布預埋件、四周側面均采用封頭、封頭上下邊通過加強筋板分別與上蓋板和下蓋板平滑過渡連接、進出油口設在封頭外側面，上蓋板和下蓋板等厚且厚于封頭、薄于加強筋板，封頭在未受力時為半橢圓截面、在受力時趨于半圓截面，加強筋板外側面設有用于安裝碳纖維纏繞工裝的接口，預埋件呈倒錐形；碳纖維纏繞鎧裝保護層用于纏繞包覆金屬內膽從而承擔載荷并保護金屬內膽，其由若干層碳纖維和環(huán)氧樹脂構成，其由預埋件拉緊并讓進出油口露出。

2.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：金屬內膽采用奧氏體不銹鋼材質。

3.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：碳纖維纏繞鎧裝保護層的碳纖維選用tz700級以上、環(huán)氧樹脂選用低黏度雙組分耐高溫環(huán)氧樹脂體系。

4.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于，封頭尺寸的確定方法是：先根據封頭在發(fā)生變形的情況下封頭形狀趨于半球形的原理以及作動器的尺寸和碳纖維纏繞鎧裝保護層的厚度得到封頭的外輪廓尺寸，再以封頭能承受碳纖維纏繞鎧裝保護層的張力以及一定的爆破壓力的強度要求，計算出封頭的最小壁厚，并考慮封頭加工工藝的可實施性，確定封頭的厚度。

5.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：在金屬內膽中，上蓋板、下蓋板、預埋件、封頭、加強筋板和進出油口焊接為一個整體，焊接完成后做消應力處理。

6.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于，碳纖維纏繞鎧裝保護層的施工方法是：先通過進出油口向金屬內膽內充入一定壓力氣體并密封，以防止后續(xù)碳纖維纏繞和固化過程中封頭受纖維外力導致變形，然后利用加強筋板外側面上的接口安裝碳纖維纏繞工裝，從而將金屬內膽抬起并處于合適角度，然后安裝設計的角度和層數纏繞碳纖維，纏繞過程中碳纖維由預埋件拉緊，纏繞完成后對上蓋板和下蓋板上的平面進行打磨處理、去除多余環(huán)氧樹脂，再在上蓋板和下蓋板上的平面鋪設碳纖維布并進行固化，最后放泄金屬內膽內氣體。

7.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：進出油口采用細牙螺紋孔實現外接并通過細牙螺紋孔后端的錐面實現密封。

8.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：金屬內膽上部分封頭外側面設有吊裝件，吊裝件露出碳纖維纏繞鎧裝保護層且不與進出油口在同一封頭上。

9.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：加強筋板和預埋件的邊緣圓滑處理。

10.如權利要求1所述的柔性加載的碳纖維扁平作動器，其特征在于：采用兩個進出油口分布在一對封頭上。

技術總結
本發(fā)明公開一種柔性加載的碳纖維扁平作動器，整體呈扁平的矩形，包括金屬內膽和碳纖維纏繞鎧裝保護層；金屬內膽用于在內部填充液壓油并加壓從而在厚度方向產生均勻變形以輸出壓力載荷，其上下面分別采用上蓋板和下蓋板、上蓋板和下蓋板的外側面分布預埋件、四周側面均采用封頭、封頭上下邊通過加強筋板分別與上蓋板和下蓋板平滑過渡連接、進出油口設在封頭外側面，上蓋板和下蓋板等厚且厚于封頭、薄于加強筋板，封頭在未受力時為半橢圓截面、在受力時趨于半圓截面；碳纖維纏繞鎧裝保護層用于纏繞包覆金屬內膽從而承擔載荷并保護金屬內膽，其由若干層碳纖維和環(huán)氧樹脂構成。該作動器能在較小的高度空間內對大尺寸結構均勻施加超高壓力載荷。

技術研發(fā)人員：薛強,李小春,楊少偉,阮航,江權,吳青錢
受保護的技術使用者：中國科學院武漢巖土力學研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8