一種高剛度承壓、抗彎曲桿件制造方法
【專利摘要】本實發(fā)明涉及這種高剛度承壓、抗彎曲桿件制造方法，在封閉式鋼管內(nèi)填充高壓流體。所述的高壓流體為輕質(zhì)油類等液體、氣體或固體。本發(fā)明在高空風力發(fā)電機支架、人造風風力發(fā)電、長度更大的風力發(fā)電機葉片、大跨度(幅度)或較高高度的吊車、橋梁、輸電線路支架、各種交通工具、鋼架、塔架、軌道等幾乎全部的抗壓、抗彎曲的力學結(jié)構(gòu)中的應用都將明顯地降低結(jié)構(gòu)的材料使用量；可以解決人類的能源來源問題。使很多按目前以材料承壓方式設計不可能實現(xiàn)的力學結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。
【專利說明】一種高剛度承壓、抗彎曲桿件制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高剛度承壓桿件制造方法，屬于抗壓及抗彎曲材料的力學材料應用【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的力學材料應用領域中抗壓及抗彎曲力材料的受力方式是承受壓應力，此類結(jié)構(gòu)在承受大跨度的壓力及彎曲應力時隨受力結(jié)構(gòu)高度及跨度增大材料的消耗量呈幾何基數(shù)增加(高度或跨度增加一倍材料的消耗量增加三倍以上)，因此現(xiàn)有的材料力學領域中承受抗壓及抗彎曲力結(jié)構(gòu)的材料消耗量都是極大的，進而導致此類結(jié)構(gòu)的造價極高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明改變了抗壓及抗彎曲材料的受力方式使材料在結(jié)構(gòu)中承力方式由受壓改為受拉，這樣的結(jié)構(gòu)材料消耗量是線性增加的(隨受力結(jié)構(gòu)高度及跨度增大材料的消耗量正比例增加)?？沙蚀蠡鶖?shù)地降低20米以上高度及跨度抗壓及抗彎曲力學結(jié)構(gòu)材料的消耗量。進而大比例地降低此類結(jié)構(gòu)的造價。
[0004]這種高剛度承壓桿件制造方法，其特征在于:在封閉式管件內(nèi)填充高壓流體或固體。
[0005]所述的高壓流體為輕質(zhì)油類等液體或氣體；管件內(nèi)填充的固體熱膨脹系數(shù)與管件外壁的熱膨脹系數(shù)相同。
[0006]舉例所述鋼管材料為鋼絲繩鋼材。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0008]圖1為鋼管外壁受力圖；
[0009]圖2為鋼管內(nèi)壁受力圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合圖示說明本發(fā)明的設計及利用:(圖1)中M為一根Φ60Χ5πιπι、材質(zhì)為由制作鋼絲繩鋼材制作的無縫鋼管，抗拉強度為1870MPa的鋼絲繩鋼材最大承拉能力約190.8公斤/平方毫米左右?，F(xiàn)將管內(nèi)充滿高壓流體(如輕質(zhì)油類)后永久封閉。這時此鋼管外壁的受力狀態(tài)為沿鋼管周向的拉應力及沿鋼管徑向的拉應力，力學分析可知此時鋼管所能夠承受內(nèi)部高壓流體最大壓力的能力取決于鋼管能夠承受周向的最大拉應力的能力。此時沿鋼管徑向的拉應力約為周向拉應力的45%。
[0011]取I厘米長度鋼管分析無縫鋼管M的受力狀態(tài)(圖2):在管內(nèi)高壓流體的作用下通過圓心O兩側(cè)鋼管的外壁承受拉力為鋼管最大受力面，此時鋼管兩側(cè)管壁截面積之和為I平方厘米；按鋼絲繩鋼材的承拉能力約190.8公斤/平方毫米計鋼管兩側(cè)管壁周向的最大承拉能力之和為19080公斤(即通過圖2圓心O的直徑上方或下方I厘米長度鋼管在兩側(cè)管壁上的反作用力FG之和為19080公斤)；此時管內(nèi)通過圓心O點I厘米長度鋼管內(nèi)的流體截面積為5平方厘米；因此在不考慮安全系數(shù)的前提下此鋼管的最大承壓能力約為3816公斤/平方厘米(此時管內(nèi)通過圖2圓心O的直徑上方或下方I厘米長度鋼管的作用力FY之和為19080公斤)。此時鋼管內(nèi)高壓流體的截面積是直徑為5厘米的圓其面積為19.625平方厘米；此時由于鋼管內(nèi)高壓流體的作用使鋼管兩端將產(chǎn)生74889公斤的反方向拉應力F及Fl (圖1)。
[0012]當鋼管M垂直立于穩(wěn)定的基礎之上時管內(nèi)高壓流體的頂力F即成為一個作用在鋼管中心垂直向上的拉力，根據(jù)簡單的力學原理可知當鋼管M的總重量W不大于向上的拉力F時鋼管M是不會產(chǎn)生彎曲等剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象的(不考慮管內(nèi)高壓流體的重量)。
[0013]Φ 60 X 5mm鋼管的重量約為6.8公斤/米，當鋼管的長度為11013米時鋼管重量W約與垂直向上的拉力F相當，因此在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響的前提下鋼管M在下部基礎穩(wěn)定時獨自最大直立高度H為11013米以上，此時鋼管M不會產(chǎn)生彎曲及剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象。而采用由下至上桿件截面積逐漸縮小的設計10000米以上高的建筑理論上是可行的。
[0014]本鋼管在垂直固定于地面時(圖1)。當鋼管受外力彎曲時鋼管頂部中心點Al相應偏離鋼管底部中心點A同時鋼管垂直高度降低，此時在鋼管頂部載荷及自身重量W之和小于頂部拉力F時將鋼管自身將產(chǎn)生一個垂直指向鋼管(直立時)中心線的分力，此分力在鋼管所受的外力未達到材料的破壞應力前彎曲變形越大其數(shù)值也越大，此分力的結(jié)果是鋼管彎曲變形越大其自身產(chǎn)生的抗彎曲力矩越大反變形(抗變形)能力越強，這一能力是本設計桿件的固有特性在鋼管的高度達到一定數(shù)值后與鋼管材料自身的剛度幾乎無關(guān)。
[0015]本鋼管水平放置在大跨度支撐之上時由于兩端拉力的作用在允許負荷范圍內(nèi)同樣具有鋼管彎曲變形越大其自身反變形能力越強的特點。水平放置狀態(tài)下在不考慮鋼管自身重量時鋼管的承載能力與兩端支撐的距離(跨度)幾乎無關(guān)。
[0016]進一步分析本設計桿件的剛度與所使用材料的單位體積重量及單位面積的抗拉強度有關(guān)。即材料比重越小、抗拉強度越高桿件的可使用剛度越大，桿件的承壓能力越大，在下部基礎穩(wěn)定的前提下獨自直立高度H將會越大。而與桿件的長細比及桿件所使用材料的抗壓強度幾乎無關(guān)。這點是與當前普遍采用的以增加材料截面積及外形尺寸及材料本身的抗壓強度來加強抗壓、抗彎曲構(gòu)件的強度及剛度的設計有根本的區(qū)別。
[0017]采用先進的監(jiān)控手段隨時向管內(nèi)補充壓力流體的半封閉設計也是可以考慮的方案。
[0018]在管內(nèi)及充滿不可壓縮固體永久密封管件在管件發(fā)生變形體積變小迫使鋼管外壁產(chǎn)生拉力來增加剛度的方式也可以實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的。本設計的主要效益是在高空風能利用方面。目前設計的1500KW風力發(fā)電機機艙及葉輪總重為91噸，當塔架高度為100米時塔架的設計重量為264噸。1500KW風力發(fā)電運行時的水平推力一般不大于45噸，因此采用本發(fā)明只要將塔架設計承壓能力有25噸的富余量即可完全能夠保證其安全性能。考慮4倍的安全系數(shù)，按本發(fā)明管內(nèi)充滿高壓流體設計塔架高度為100米時塔架使用鋼材
4.25噸。按目前設計正常計算400米高1500KW風力發(fā)電機塔架的設計重量為100米時塔架的設計重量的16倍以上即超過4224噸，而采用本發(fā)明此時消耗的鋼材數(shù)量為17噸。以此類推按目前設計正常計算800米高1500KW風力發(fā)電機塔架的設計重量將大大超過16896噸；而采用本設計此時消耗的鋼材數(shù)量為34噸。專業(yè)人士估算地球上這一高度的風能如果全部開發(fā)利用起來即可以保證人類需要的全部能源供應。
[0019]通過測算及實際現(xiàn)狀可知按目前的設計200米高固定塔架風力發(fā)電機的安裝在經(jīng)濟效益上是不可行的，而本發(fā)明在5000米高度安裝風力發(fā)電機在經(jīng)濟效益上是可行的?？梢詫⑷祟愋枰娜磕芰?00倍的地球風能幾乎全部成為可開發(fā)利用的能源。因此本技術(shù)是徹底解決人類的能源危機問題的方案之一。
[0020]本設計在能源方面的衍生物是在地面安裝1000-4000米高度(或更高)類似煙筒的建筑物(熱風塔)，由于地面與高空每上升1000米有約7度的溫降差，這樣在類煙筒建筑物的內(nèi)部將形成由下向上的人造風，一方面可以用來發(fā)電也是徹底解決人類的能源危機問題的方案之一；另一方面本設計可以將地面的空氣污染濃度降低到現(xiàn)有狀態(tài)的1/10以下，令人頭痛的減排問題也將大為緩解。還可以將3000米高度的低于20度的低溫較純凈空氣直接引到地面形成制冷空調(diào)系統(tǒng)可以節(jié)省大量的電力能源。
[0021]采用本技術(shù)建造1000高以上的熱風塔，下部周圍覆蓋溫室遮篷。利用在溫室遮篷內(nèi)被加熱的空氣與熱風塔上部的溫差可在熱風塔內(nèi)形成強大的風動力，初步測算本方案的發(fā)電成本在0.1元人民幣以內(nèi)。也是徹底解決人類的能源危機問題的方案之一。由于本發(fā)明方案的熱風塔頂部有極強的承載能力，熱風塔塔頂部還可以安裝熱能發(fā)電設備利用被加熱通過風機后的空氣與高空低溫空氣的溫差發(fā)電，其發(fā)電成本將十分低廉。
[0022]本發(fā)明用在光伏發(fā)電領域上使用可以將光伏電池安裝在幾千米的高空可以節(jié)省大量的土地資源，而高空光照強光伏電池的效率更高且空氣清潔有可能不必考慮光伏電池的清洗問題。
[0023]本發(fā)明用在交通工具領域上使用可以降低交通工具主承力結(jié)構(gòu)的材料消耗量降低制造成本及降低燃料消耗量，同時可以增大交通工具的剛度使各類交通工具抗撞擊能力增強2倍以上從而大大地提高其使用安全性能。
[0024]采用本發(fā)明將使制造風力發(fā)電機葉片的材料更加多樣化、葉片長度可以達到現(xiàn)有設計長度的2倍以上、葉片將更加輕盈、造價將會十分低廉。
[0025]本發(fā)明可以將制造飛機的材料改變?yōu)檩^高抗拉強度的鋼材制造或其它抗拉材料，其產(chǎn)品將會更加輕盈造價也將會更加低廉，甚至可以考慮將飛機出發(fā)平臺安裝在10000米以上的高空，飛機飛行時使用較小的動力及滑行相結(jié)合的飛行方法來降低這一快捷交通工具的造價及使用費用。也可以考慮在20000米以上的高度安裝太空探測設備出發(fā)平臺。
[0026]總之，本發(fā)明在大跨度(幅度)或較高高度的吊車、橋梁、輸電線路支架、各種鋼架、塔架、軌道等幾乎全部的抗壓、抗彎曲的力學結(jié)構(gòu)中的應用都將明顯地降低結(jié)構(gòu)的材料使用量；使很多按目前以材料承壓方式設計不可能實現(xiàn)的力學結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。
[0027]本發(fā)明的實施方式一般可分為四種:
[0028]1、在密封的圓形內(nèi)截面的桿件內(nèi)充滿熱膨脹系數(shù)與桿件材料相同的高壓液體然后永久密封。
[0029]2、在密封的桿件內(nèi)充滿高壓氣體在一定的溫度范圍內(nèi)使用。
[0030]3、在密封的圓形內(nèi)截面的桿件內(nèi)充滿高壓流體并且采用相應的監(jiān)控調(diào)整措施保持管內(nèi)的壓力使壓力控制在一定范圍內(nèi)來保證桿件的剛度達到設計要求的半密封方式。[0031]4、在密封的圓形內(nèi)截面的桿件內(nèi)充滿熱膨脹系數(shù)與桿件材料相同的高壓固體然后永久密封。
[0032]使圓形內(nèi)截面的桿件內(nèi)截面面積盡量擴大化并在管內(nèi)充滿熱膨脹系數(shù)與桿件材料相同的無壓力固體然后永久密封，當桿件發(fā)生彎曲變形時管內(nèi)體積將會縮小迫使桿件外壁產(chǎn)生拉應力也可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)本發(fā)明。這是在桿件的高度和跨度要求不太大的情況下實施本發(fā)明的最安全可行的方式。它可以將風力發(fā)電機的塔架鋼材消耗量低于目前設計的100米高時塔架所使用的材料數(shù)量的前提下將風力發(fā)電機安裝在400米以上的高空。
[0033]總之本發(fā)明的中心思想是改變抗壓及抗彎曲力材料的受力方式使材料在結(jié)構(gòu)中承力方式由受壓改為受拉，消除了材料受壓側(cè)因高度或跨度增大產(chǎn)生杠桿力破壞因素從而達到大量節(jié)省抗壓及抗彎曲力學結(jié)構(gòu)中材料消耗量的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種高剛度承壓、抗彎曲桿件制造方法，其特征在于:在封閉式直管件內(nèi)填充高壓流體或固體使桿件材料在抗壓及抗彎曲結(jié)構(gòu)中的承力方式由受壓改變?yōu)槭芾?br> 2.如權(quán)利要求1所述的一種高剛度承壓、抗彎曲桿件制造方法，其特征在于:所述的高壓流體為輕質(zhì)油類等液體、氣體或固體。
3.實用本發(fā)明的高剛度承壓、抗彎曲桿件產(chǎn)生的附帶經(jīng)濟效益。
【文檔編號】E04C3/28GK103541497SQ201310563132
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】任樹義 申請人:任樹義