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模擬構(gòu)件真實(shí)應(yīng)力的三軸試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)研究

 

      本文通過強(qiáng)度橢球的提出,對三軸試驗(yàn)機(jī)技術(shù)進(jìn)行論述。采用模擬構(gòu)件真實(shí)應(yīng)力的方法,對建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件,豐富強(qiáng)度理論的建立有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞:強(qiáng)度橢球   幾何點(diǎn)    同步控制   數(shù)字式控制系統(tǒng)
 
一、前言
      建立單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件,可不考慮引起材料破壞的內(nèi)在原因,直接將構(gòu)件的工作應(yīng)力與材料的單向受力時(shí)的極限應(yīng)力進(jìn)行比較即可。但是,若用同樣的想法去建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件則會因主應(yīng)力有無限多組不同的比例組合,而使其主應(yīng)力極限值無法確定,因而只好假設(shè)材料破壞的內(nèi)在原因,將其用主應(yīng)力表示,去和材料的已有強(qiáng)度極限建立聯(lián)系,這就是強(qiáng)度理論的起因。
 
二、  強(qiáng)度橢球的提出
      其實(shí)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,雖然不能試驗(yàn)測得無限多組不同比例的主應(yīng)力極限值,但可以做有限組主應(yīng)力極限值的測定。以每一組應(yīng)力值為坐標(biāo),并考慮到材料及應(yīng)力函數(shù)的連續(xù)性,將會在以δ1、δ2和δ3為坐標(biāo)軸的三維直角坐標(biāo)系中,得到一個(gè)空間網(wǎng)格面。網(wǎng)格坐標(biāo)即是有限組實(shí)驗(yàn)的主應(yīng)力極限值,所以該網(wǎng)格面就是某種材料強(qiáng)度的臨界面。實(shí)驗(yàn)測得主應(yīng)力極限值的組數(shù)愈多,臨界面將趨于一個(gè)光曲面。構(gòu)件內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)處的任一組不同比例的主應(yīng)力值都可以在空間坐標(biāo)系中找到其對應(yīng)的幾何點(diǎn),該點(diǎn)在臨界面內(nèi)就是安全的。所以臨界面以內(nèi)的空間形體表示了某種材料滿足強(qiáng)度要求的所有組主應(yīng)力的集合。暫且將該空間形體稱為材料的“強(qiáng)度橢球”,利用計(jì)算機(jī)動畫去比較一組主應(yīng)力是否在“強(qiáng)度橢球”內(nèi),將使得強(qiáng)度計(jì)算工作變得簡單輕松。
      設(shè)想“強(qiáng)度橢球”的大概形狀像一個(gè)鼓槌,槌頭頂端在空間直角坐標(biāo)系的第一卦限內(nèi),其坐標(biāo)值肯定小于材料在單向拉伸時(shí)極限應(yīng)力值δL,槌頭的大部分圍繞坐標(biāo)原點(diǎn);槌尾端在第七卦限內(nèi),其坐標(biāo)值將大于材料在單向壓縮時(shí)間的極限應(yīng)力δy,若以材料斷裂為極限應(yīng)力,其坐標(biāo)值將趨近于無限大;橢球表面還應(yīng)經(jīng)過以下幾點(diǎn)(δL,0,0),(0,δL,0),(0,0,δL),以及(-δy,0,0),(0,-δy,0),(0,0,-δy)。材料的“強(qiáng)度橢球”顯見會因材料在動靜載、溫度等外界條件的改變下,象氣球一樣大小變化。
 
三、三軸試驗(yàn)機(jī)技術(shù)
      建立“強(qiáng)度橢球”的最大障礙是研制一臺能使構(gòu)件測試區(qū)產(chǎn)生三向不同比例主應(yīng)力的試驗(yàn)機(jī)用來模擬構(gòu)件真實(shí)應(yīng)力。隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,微機(jī)控制電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)技術(shù)得到較大的提高,將其技術(shù)合理運(yùn)用來研制開發(fā)多功能用途的三軸試驗(yàn)機(jī)。下面就這個(gè)方面進(jìn)行討論。
微機(jī)控制電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)是通用的機(jī)械性能測試儀器,采用微機(jī)數(shù)字控制,通過脈寬調(diào)制技術(shù)對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行參數(shù)預(yù)置、實(shí)現(xiàn)自動控制、測量及數(shù)據(jù)處理,開發(fā)應(yīng)用高性能比例閥組件,高分辨率位移傳感器,解決了寬范圍的流量調(diào)節(jié),試驗(yàn)參數(shù)的高精度控制、測量等技術(shù)難題,從而實(shí)現(xiàn)了液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的高精度、寬范圍、多功能的電液比例伺服控制。利用該項(xiàng)目電液比例伺服控制技術(shù),控制同方向的兩個(gè)對稱油缸,即可實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力、等位移多種功能的試驗(yàn)控制。用三套獨(dú)立的電液比例伺服控制系統(tǒng)控制每個(gè)方向的兩個(gè)對稱油缸,即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向不同比例的主應(yīng)力的三軸試驗(yàn)。
 
四、三軸試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
      研制三軸試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)三軸方向進(jìn)行不同比例主應(yīng)力試驗(yàn)控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)油缸位移的同步控制,使得任一組不同比例的主應(yīng)力值都可以在空間坐標(biāo)系中找到其對應(yīng)的幾何點(diǎn),形成所有組主應(yīng)力的集合。如何充分利用電液伺服控制技術(shù)是解決這一問題所在。
      采用剛性對稱結(jié)構(gòu)在x、y、z三個(gè)方向分別設(shè)計(jì)兩個(gè)等同的對心油缸,完成每個(gè)方向的對心加載。在每個(gè)油缸上安裝一個(gè)位移傳感器(光柵尺),再在每個(gè)對稱油缸上的其中之一安裝一個(gè)負(fù)荷傳感器,用單片機(jī)控制兩個(gè)油缸同步運(yùn)動的同時(shí),控制試驗(yàn)力,經(jīng)閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)位移同步的等應(yīng)力高精度控制。用三個(gè)單片機(jī)控制三套單獨(dú)的力、位移參量,就可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向不同比例的主應(yīng)力的三軸試驗(yàn),用一臺計(jì)算機(jī)控制三個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸方向各個(gè)伺服系統(tǒng)的單獨(dú)控制,并且實(shí)現(xiàn)等位移控制試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)負(fù)荷、位移多功能的控制試驗(yàn),控制原理見圖1電器原理框圖。
              196           A/D轉(zhuǎn)換           測量放大器         力傳感器
                  
   工         單           位移計(jì)數(shù)器A       細(xì)分鑒相A         光柵尺A
            
   業(yè)         片           脈寬調(diào)制A         功率放大A         調(diào)速比例閥A
            
   控         機(jī)           位移計(jì)數(shù)器B       細(xì)分鑒相B         光柵尺B
             
   制         Ⅰ           脈寬調(diào)制B         功率放大B         調(diào)速比例閥B
   機(jī)          196 單片機(jī)Ⅱ同Ⅰ
              
               196單片機(jī)Ⅲ同Ⅰ
                               圖1 電器原理框圖
 
五、三軸試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)
1、 采用剛性固定框架結(jié)構(gòu),每對對稱油缸同心度好,為實(shí)現(xiàn)不同比例的等應(yīng)力控制創(chuàng)造條件。
2、 采用光柵尺結(jié)合細(xì)分電路測量油缸的位移,具有較高分辨率僅為1μm,變換行程方向仍可精確測量,采用高精度負(fù)荷傳感器及智能化放大器,測量試驗(yàn)力具有量程寬、精度高等特點(diǎn)。采用全數(shù)字式的測量 控制、顯示系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,傳感器精度高,分辨率高,穩(wěn)定性好。三軸各方向能單獨(dú)連續(xù)自動地測量、控制負(fù)荷、位移等參數(shù),實(shí)現(xiàn)多種控制功能。在試驗(yàn)過程各種速度可隨意切換,且各方向均可單獨(dú)控制試驗(yàn)。在實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力控制、等位移控制、恒應(yīng)力及恒位移控制同時(shí),還可作各方向的低周波形試驗(yàn)等。
3、 采用新型比例閥組合,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,制造方便,功能完善,尤其是小流量、小內(nèi)泄(最小穩(wěn)定流量0.0034L/min)等特點(diǎn),為試驗(yàn)機(jī)各方向的寬范圍調(diào)速打下基礎(chǔ)。比例閥組合結(jié)構(gòu),抗污染能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)無故障工作。
4、 整機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)以軟件為主體,實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)速(提高了產(chǎn)品的可靠性)。在整機(jī)功能增強(qiáng)的情況下,電路設(shè)計(jì)卻大大簡化,只有小部分強(qiáng)電外,大部分的測量控制電路包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換、光柵尺系統(tǒng)等設(shè)計(jì)成光電隔離的多功能模塊,提高產(chǎn)品集成化程度。
5、 可手動鍵盤操作和程序自動控制兩種試驗(yàn)方式,試驗(yàn)操作由微機(jī)屏幕漢字窗口顯示、漢字下拉菜單提示、并有底行注釋,試驗(yàn)曲線顯示、存儲并具有曲線放大功能,為分析加載過程提供極大的方便。
 
六、    結(jié)束語
    三軸試驗(yàn)機(jī)的研制開發(fā),對建立材料的強(qiáng)度理論起到可靠保證,豐富了強(qiáng)度理論的形成,“強(qiáng)度橢球”的建立,將會對材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)意義。

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