多種結(jié)構(gòu)框架在拉壓試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用研究

引言

拉壓試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗(yàn)。在研究探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過程中，拉壓試驗(yàn)機(jī)是一種不可缺少的重要測試儀器，對有效使用材料、改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、保證產(chǎn)品安全可靠等都具有重要作用。

我國拉壓試驗(yàn)機(jī)的制造，從無到有、從小到大、從單參數(shù)到多參數(shù)、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，已逐步發(fā)展到初具規(guī)模，本文重點(diǎn)介紹常見結(jié)構(gòu)框架在拉壓試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用。

1結(jié)構(gòu)框架常見形式

拉壓試驗(yàn)機(jī)按基本安裝形式，可分為立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩大類。其中，立式結(jié)構(gòu)可分為立式單桿、立式雙桿及立式多桿結(jié)構(gòu)；臥式結(jié)構(gòu)分為臥式雙桿和臥式多桿形式。下面對各種試驗(yàn)機(jī)框架結(jié)構(gòu)的具體形式、應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。

1.1立式框架結(jié)構(gòu)

立式框架結(jié)構(gòu)占地較小，是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，多用于小載荷試驗(yàn)及材料試驗(yàn)。圖1所示就是一種立式單桿試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

立式單桿形式主要用于小型拉力試驗(yàn)，載荷范圍一般為幾百千克。這種結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)多用于桌面小型試驗(yàn)，框架結(jié)構(gòu)由固定座、單承力柱、移動(dòng)架和加載頭組成，如圖1所示。加載系統(tǒng)多采用電機(jī)加絲杠的加載方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點(diǎn)，但是懸臂梁結(jié)構(gòu)會(huì)使得框架穩(wěn)定性較差，所以該結(jié)構(gòu)形式只能用于小型拉壓試驗(yàn)。

圖2所示是一種立式雙桿結(jié)構(gòu)的示意圖。立式雙桿結(jié)構(gòu)是較為常見的一種形式，常見的萬能材料試驗(yàn)機(jī)大多采用這種結(jié)構(gòu)形式，框架結(jié)構(gòu)由固定座、兩個(gè)承力柱、移動(dòng)架和加載頭組成，如圖2所示。加載方式多采用絲杠加載或液壓紅加載方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是立柱起導(dǎo)向及承力作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，設(shè)備占地小，可進(jìn)行較大載荷試驗(yàn)，中心加載對心效果好，加載控制較為簡單；其缺點(diǎn)主要是不利于大尺寸試驗(yàn)件及重量較大的試驗(yàn)件安裝，只能對試驗(yàn)件進(jìn)行軸向載荷試驗(yàn)。

此外，還有立式多桿結(jié)構(gòu)。多桿形式也是一種較為常見的框架結(jié)構(gòu)形式，多為四桿形式，基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)與雙桿結(jié)構(gòu)類似。該種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，可承受更大載荷，但對立柱、移動(dòng)架加工安裝精度要求也更高，否則很易出現(xiàn)不同步移動(dòng)架卡滯現(xiàn)象，這一點(diǎn)是采用這種結(jié)構(gòu)需要注意的。

1.2臥式框架結(jié)構(gòu)

臥式框架結(jié)構(gòu)多用于大載荷拉壓試驗(yàn)、鋼管類細(xì)長試件的拉壓試驗(yàn)。臥式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是方便試件安裝操作，并且可以靈活地在底座上安裝用于施加側(cè)向力或其他試驗(yàn)的夾具。

臥式框架結(jié)構(gòu)有臥式單紅兩桿結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用一個(gè)液壓紅中心單點(diǎn)加載，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)形式也可根據(jù)拉壓載荷的需求，利用一個(gè)反向架結(jié)構(gòu)將液壓紅的作用力反向，如圖4所示?？梢苿?dòng)框架可根據(jù)實(shí)際要求采用固定或可移動(dòng)結(jié)構(gòu),由于框架為臥式結(jié)構(gòu)，承力柱應(yīng)考慮本身自重所產(chǎn)生的撓度,以及采用細(xì)長桿結(jié)構(gòu)而帶來的穩(wěn)定性問題。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是,單紅加載方式試驗(yàn)對中性好，不會(huì)產(chǎn)生偏載，框架穩(wěn)定性較好,試件安裝簡單，操作方便，系統(tǒng)控制也較為簡單、可靠；其缺點(diǎn)是，必須選用大噸位液壓紅，而大噸位液壓紅加工困難,成本也較高。

圖4單缸兩桿結(jié)構(gòu)示意圖（反向架結(jié)構(gòu)）

其次就是臥式雙紅兩桿結(jié)構(gòu)，雙紅兩桿結(jié)構(gòu)框架采用兩個(gè)液壓紅加載，如圖5所示。兩個(gè)液壓紅分別安裝在承力柱上，加載時(shí)共同施加載荷在一個(gè)可移動(dòng)加載頭上。這種結(jié)構(gòu)形式相對于單紅兩桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是框架體積較小，可采用相對較小的液壓紅。缺點(diǎn)主要有：首先，由于兩個(gè)液壓紅在加工時(shí)的誤差，兩個(gè)液壓紅很難做到同步，在加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏載，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為解決偏載問題，控制系統(tǒng)就要采用協(xié)調(diào)加載方式，從而大大提高了控制成本；其次，采用這種結(jié)構(gòu)還要重點(diǎn)考慮加載不同步可能弓起的液壓紅及框架的卡滯及加載不同步極端情況對框架的破壞。

另外，也有臥式四缸四桿結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)與雙紅兩桿結(jié)構(gòu)類似，框架的穩(wěn)定性很好，可以做到很大的加載能力,但缺點(diǎn)是協(xié)調(diào)加載的控制難度更大。

2結(jié)構(gòu)框架優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，我國制造的拉壓試驗(yàn)機(jī)能保證良好的性能、質(zhì)量和可靠性，但是，與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的拉壓試驗(yàn)機(jī)更多的是結(jié)合材料力學(xué)計(jì)算及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，效果不是很好,甚至可能導(dǎo)致個(gè)別部件出現(xiàn)問題;另外,比國外試驗(yàn)機(jī)相對笨重，因而導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，市場競爭力下降；同時(shí)，由于市場需求不同導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，技術(shù)人員需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，產(chǎn)生冗余工作，增加設(shè)計(jì)時(shí)間,也增加了生產(chǎn)成本。

因此，在對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是大型試驗(yàn)機(jī)，結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)化是不可或缺的。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且能夠改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)特性、屈曲穩(wěn)定性等特性。

2.1結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)既定的結(jié)構(gòu)類型、形式、工況、材料和規(guī)范所規(guī)定的各種約束條件(如強(qiáng)度、剛度、頻率等)，提出優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型(包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量)，最后達(dá)到材料的合理分配，使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求[6]。目前，連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的研究已經(jīng)較為成熟，其中變密度法已經(jīng)被應(yīng)用到商用優(yōu)化軟件中，其中最著名的是美國Altair公司Hyperworks系列軟件中的OptiStruct優(yōu)化模塊，能夠采用Hypermesh作為前處理器，在各大行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最多。

2.2OptiStruct優(yōu)化功能

OptiStruct是基于有限元的方法，通過對結(jié)構(gòu)拓?fù)?、形狀、尺寸等?yōu)化，得到精確優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。OptiStruct運(yùn)用多種不同的貫穿于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段的優(yōu)化方法，對靜力、模態(tài)進(jìn)行分析優(yōu)化，此外，對于存在上百個(gè)變量和響應(yīng)的大模型亦可進(jìn)行優(yōu)化。OptiStruct的主要優(yōu)化計(jì)算方法有變密度法和均勻化法。

OptiStruct進(jìn)行優(yōu)化前，需要在Hypermesh中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前處理及定義，第一步是在Hypermesh中進(jìn)行有限元建模、優(yōu)化變量定義、約束和目標(biāo)定義、結(jié)構(gòu)響應(yīng)定義等，第二步是在OptiStruct中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第三步是在Hypermesh中對OptiStruct的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行后處理。OptiStruct已與Hypermesh實(shí)現(xiàn)無縫連接，從而使上述過程方便快捷。

綜上所述，運(yùn)用OptiStruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為以下幾個(gè)步驟：首先是在Hypermesh中進(jìn)行前處理、輸入文件；然后創(chuàng)建有限元模型并優(yōu)化參數(shù)定義，定義工作主要是定義優(yōu)化變量、定義結(jié)構(gòu)響應(yīng)和定義約束和目標(biāo)；其次是在OptiStruct中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；最后在Hypermesh中進(jìn)行后處理及結(jié)果驗(yàn)證。其流程圖如圖6所示。

圖6OptiStruct優(yōu)化流程圖

3結(jié)語

本文對拉壓試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，并將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法引入到了框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為拉壓試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了方向性的指導(dǎo)。在試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選擇框架結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上對框架模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，減輕結(jié)構(gòu)重量，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等特性。本文的提出對于試驗(yàn)和其他相關(guān)行業(yè)具有一定的工程借鑒和指導(dǎo)意義。

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