一种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法
【专利摘要】本实发明涉及这种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法，在封闭式钢管内填充高压流体。所述的高压流体为轻质油类等液体、气体或固体。本发明在高空风力发电机支架、人造风风力发电、长度更大的风力发电机叶片、大跨度(幅度)或较高高度的吊车、桥梁、输电线路支架、各种交通工具、钢架、塔架、轨道等几乎全部的抗压、抗弯曲的力学结构中的应用都将明显地降低结构的材料使用量；可以解决人类的能源来源问题。使很多按目前以材料承压方式设计不可能实现的力学结构得以实现。
【专利说明】一种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高刚度承压杆件制造方法，属于抗压及抗弯曲材料的力学材料应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现有的力学材料应用领域中抗压及抗弯曲力材料的受力方式是承受压应力，此类结构在承受大跨度的压力及弯曲应力时随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量呈几何基数增加(高度或跨度增加一倍材料的消耗量增加三倍以上)，因此现有的材料力学领域中承受抗压及抗弯曲力结构的材料消耗量都是极大的，进而导致此类结构的造价极高。
【发明内容】
[0003]本发明改变了抗压及抗弯曲材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，这样的结构材料消耗量是线性增加的(随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量正比例增加)。可呈大基数地降低20米以上高度及跨度抗压及抗弯曲力学结构材料的消耗量。进而大比例地降低此类结构的造价。
[0004]这种高刚度承压杆件制造方法，其特征在于:在封闭式管件内填充高压流体或固体。
[0005]所述的高压流体为轻质油类等液体或气体；管件内填充的固体热膨胀系数与管件外壁的热膨胀系数相同。
[0006]举例所述钢管材料为钢丝绳钢材。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0008]图1为钢管外壁受力图；
[0009]图2为钢管内壁受力图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合图示说明本发明的设计及利用:(图1)中M为一根Φ60Χ5πιπι、材质为由制作钢丝绳钢材制作的无缝钢管，抗拉强度为1870MPa的钢丝绳钢材最大承拉能力约190.8公斤/平方毫米左右。现将管内充满高压流体(如轻质油类)后永久封闭。这时此钢管外壁的受力状态为沿钢管周向的拉应力及沿钢管径向的拉应力，力学分析可知此时钢管所能够承受内部高压流体最大压力的能力取决于钢管能够承受周向的最大拉应力的能力。此时沿钢管径向的拉应力约为周向拉应力的45%。
[0011]取I厘米长度钢管分析无缝钢管M的受力状态(图2):在管内高压流体的作用下通过圆心O两侧钢管的外壁承受拉力为钢管最大受力面，此时钢管两侧管壁截面积之和为I平方厘米；按钢丝绳钢材的承拉能力约190.8公斤/平方毫米计钢管两侧管壁周向的最大承拉能力之和为19080公斤(即通过图2圆心O的直径上方或下方I厘米长度钢管在两侧管壁上的反作用力FG之和为19080公斤)；此时管内通过圆心O点I厘米长度钢管内的流体截面积为5平方厘米；因此在不考虑安全系数的前提下此钢管的最大承压能力约为3816公斤/平方厘米(此时管内通过图2圆心O的直径上方或下方I厘米长度钢管的作用力FY之和为19080公斤)。此时钢管内高压流体的截面积是直径为5厘米的圆其面积为19.625平方厘米；此时由于钢管内高压流体的作用使钢管两端将产生74889公斤的反方向拉应力F及Fl (图1)。
[0012]当钢管M垂直立于稳定的基础之上时管内高压流体的顶力F即成为一个作用在钢管中心垂直向上的拉力，根据简单的力学原理可知当钢管M的总重量W不大于向上的拉力F时钢管M是不会产生弯曲等刚性不稳定现象的(不考虑管内高压流体的重量)。
[0013]Φ 60 X 5mm钢管的重量约为6.8公斤/米，当钢管的长度为11013米时钢管重量W约与垂直向上的拉力F相当，因此在不考虑管内高压流体重量及外力影响的前提下钢管M在下部基础稳定时独自最大直立高度H为11013米以上，此时钢管M不会产生弯曲及刚性不稳定现象。而采用由下至上杆件截面积逐渐缩小的设计10000米以上高的建筑理论上是可行的。
[0014]本钢管在垂直固定于地面时(图1)。当钢管受外力弯曲时钢管顶部中心点Al相应偏离钢管底部中心点A同时钢管垂直高度降低，此时在钢管顶部载荷及自身重量W之和小于顶部拉力F时将钢管自身将产生一个垂直指向钢管(直立时)中心线的分力，此分力在钢管所受的外力未达到材料的破坏应力前弯曲变形越大其数值也越大，此分力的结果是钢管弯曲变形越大其自身产生的抗弯曲力矩越大反变形(抗变形)能力越强，这一能力是本设计杆件的固有特性在钢管的高度达到一定数值后与钢管材料自身的刚度几乎无关。
[0015]本钢管水平放置在大跨度支撑之上时由于两端拉力的作用在允许负荷范围内同样具有钢管弯曲变形越大其自身反变形能力越强的特点。水平放置状态下在不考虑钢管自身重量时钢管的承载能力与两端支撑的距离(跨度)几乎无关。
[0016]进一步分析本设计杆件的刚度与所使用材料的单位体积重量及单位面积的抗拉强度有关。即材料比重越小、抗拉强度越高杆件的可使用刚度越大，杆件的承压能力越大，在下部基础稳定的前提下独自直立高度H将会越大。而与杆件的长细比及杆件所使用材料的抗压强度几乎无关。这点是与当前普遍采用的以增加材料截面积及外形尺寸及材料本身的抗压强度来加强抗压、抗弯曲构件的强度及刚度的设计有根本的区别。
[0017]采用先进的监控手段随时向管内补充压力流体的半封闭设计也是可以考虑的方案。
[0018]在管内及充满不可压缩固体永久密封管件在管件发生变形体积变小迫使钢管外壁产生拉力来增加刚度的方式也可以实现本发明的发明目的。本设计的主要效益是在高空风能利用方面。目前设计的1500KW风力发电机机舱及叶轮总重为91吨，当塔架高度为100米时塔架的设计重量为264吨。1500KW风力发电运行时的水平推力一般不大于45吨，因此采用本发明只要将塔架设计承压能力有25吨的富余量即可完全能够保证其安全性能。考虑4倍的安全系数，按本发明管内充满高压流体设计塔架高度为100米时塔架使用钢材
4.25吨。按目前设计正常计算400米高1500KW风力发电机塔架的设计重量为100米时塔架的设计重量的16倍以上即超过4224吨，而采用本发明此时消耗的钢材数量为17吨。以此类推按目前设计正常计算800米高1500KW风力发电机塔架的设计重量将大大超过16896吨；而采用本设计此时消耗的钢材数量为34吨。专业人士估算地球上这一高度的风能如果全部开发利用起来即可以保证人类需要的全部能源供应。
[0019]通过测算及实际现状可知按目前的设计200米高固定塔架风力发电机的安装在经济效益上是不可行的，而本发明在5000米高度安装风力发电机在经济效益上是可行的。可以将人类需要的全部能量100倍的地球风能几乎全部成为可开发利用的能源。因此本技术是彻底解决人类的能源危机问题的方案之一。
[0020]本设计在能源方面的衍生物是在地面安装1000-4000米高度(或更高)类似烟筒的建筑物(热风塔)，由于地面与高空每上升1000米有约7度的温降差，这样在类烟筒建筑物的内部将形成由下向上的人造风，一方面可以用来发电也是彻底解决人类的能源危机问题的方案之一；另一方面本设计可以将地面的空气污染浓度降低到现有状态的1/10以下，令人头痛的减排问题也将大为缓解。还可以将3000米高度的低于20度的低温较纯净空气直接引到地面形成制冷空调系统可以节省大量的电力能源。
[0021]采用本技术建造1000高以上的热风塔，下部周围覆盖温室遮篷。利用在温室遮篷内被加热的空气与热风塔上部的温差可在热风塔内形成强大的风动力，初步测算本方案的发电成本在0.1元人民币以内。也是彻底解决人类的能源危机问题的方案之一。由于本发明方案的热风塔顶部有极强的承载能力，热风塔塔顶部还可以安装热能发电设备利用被加热通过风机后的空气与高空低温空气的温差发电，其发电成本将十分低廉。
[0022]本发明用在光伏发电领域上使用可以将光伏电池安装在几千米的高空可以节省大量的土地资源，而高空光照强光伏电池的效率更高且空气清洁有可能不必考虑光伏电池的清洗问题。
[0023]本发明用在交通工具领域上使用可以降低交通工具主承力结构的材料消耗量降低制造成本及降低燃料消耗量，同时可以增大交通工具的刚度使各类交通工具抗撞击能力增强2倍以上从而大大地提高其使用安全性能。
[0024]采用本发明将使制造风力发电机叶片的材料更加多样化、叶片长度可以达到现有设计长度的2倍以上、叶片将更加轻盈、造价将会十分低廉。
[0025]本发明可以将制造飞机的材料改变为较高抗拉强度的钢材制造或其它抗拉材料，其产品将会更加轻盈造价也将会更加低廉，甚至可以考虑将飞机出发平台安装在10000米以上的高空，飞机飞行时使用较小的动力及滑行相结合的飞行方法来降低这一快捷交通工具的造价及使用费用。也可以考虑在20000米以上的高度安装太空探测设备出发平台。
[0026]总之，本发明在大跨度(幅度)或较高高度的吊车、桥梁、输电线路支架、各种钢架、塔架、轨道等几乎全部的抗压、抗弯曲的力学结构中的应用都将明显地降低结构的材料使用量；使很多按目前以材料承压方式设计不可能实现的力学结构得以实现。
[0027]本发明的实施方式一般可分为四种:
[0028]1、在密封的圆形内截面的杆件内充满热膨胀系数与杆件材料相同的高压液体然后永久密封。
[0029]2、在密封的杆件内充满高压气体在一定的温度范围内使用。
[0030]3、在密封的圆形内截面的杆件内充满高压流体并且采用相应的监控调整措施保持管内的压力使压力控制在一定范围内来保证杆件的刚度达到设计要求的半密封方式。[0031]4、在密封的圆形内截面的杆件内充满热膨胀系数与杆件材料相同的高压固体然后永久密封。
[0032]使圆形内截面的杆件内截面面积尽量扩大化并在管内充满热膨胀系数与杆件材料相同的无压力固体然后永久密封，当杆件发生弯曲变形时管内体积将会缩小迫使杆件外壁产生拉应力也可以在一定范围内实现本发明。这是在杆件的高度和跨度要求不太大的情况下实施本发明的最安全可行的方式。它可以将风力发电机的塔架钢材消耗量低于目前设计的100米高时塔架所使用的材料数量的前提下将风力发电机安装在400米以上的高空。
[0033]总之本发明的中心思想是改变抗压及抗弯曲力材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，消除了材料受压侧因高度或跨度增大产生杠杆力破坏因素从而达到大量节省抗压及抗弯曲力学结构中材料消耗量的目的。
【权利要求】
1.一种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法，其特征在于:在封闭式直管件内填充高压流体或固体使杆件材料在抗压及抗弯曲结构中的承力方式由受压改变为受拉。
2.如权利要求1所述的一种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法，其特征在于:所述的高压流体为轻质油类等液体、气体或固体。
3.实用本发明的高刚度承压、抗弯曲杆件产生的附带经济效益。
【文档编号】E04C3/28GK103541497SQ201310563132
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】任树义 申请人:任树义