本文通過(guò)強度橢球的提出，對三軸試驗機技術(shù)進(jìn)行論述。采用模擬構件真實(shí)應力的方法，對建立復雜應力狀態(tài)下的強度條件，豐富強度理論的建立有著(zhù)極其重要的現實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：強度橢球 幾何點(diǎn) 同步控制 數字式控制系統
一、前言
建立單向應力狀態(tài)下的強度條件，可不考慮引起材料破壞的內在原因，直接將構件的工作應力與材料的單向受力時(shí)的極限應力進(jìn)行比較即可。但是，若用同樣的想法去建立復雜應力狀態(tài)下的強度條件則會(huì )因主應力有無(wú)限多組不同的比例組合，而使其主應力極限值無(wú)法確定，因而只好假設材料破壞的內在原因，將其用主應力表示，去和材料的已有強度極限建立聯(lián)系，這就是強度理論的起因。
二、 強度橢球的提出
其實(shí)在復雜應力狀態(tài)下，雖然不能試驗測得無(wú)限多組不同比例的主應力極限值，但可以做有限組主應力極限值的測定。以每一組應力值為坐標，并考慮到材料及應力函數的連續性，將會(huì )在以δ1、δ2和δ3為坐標軸的三維直角坐標系中，得到一個(gè)空間網(wǎng)格面。網(wǎng)格坐標即是有限組實(shí)驗的主應力極限值，所以該網(wǎng)格面就是某種材料強度的臨界面。實(shí)驗測得主應力極限值的組數愈多，臨界面將趨于一個(gè)光曲面。構件內危險點(diǎn)處的任一組不同比例的主應力值都可以在空間坐標系中找到其對應的幾何點(diǎn)，該點(diǎn)在臨界面內就是安全的。所以臨界面以?xún)鹊目臻g形體表示了某種材料滿(mǎn)足強度要求的所有組主應力的集合。暫且將該空間形體稱(chēng)為材料的“強度橢球”，利用計算機動(dòng)畫(huà)去比較一組主應力是否在“強度橢球”內，將使得強度計算工作變得簡(jiǎn)單輕松。
設想“強度橢球”的大概形狀像一個(gè)鼓槌，槌頭頂端在空間直角坐標系的第一卦限內，其坐標值肯定小于材料在單向拉伸時(shí)極限應力值δL，槌頭的大部分圍繞坐標原點(diǎn)；槌尾端在第七卦限內，其坐標值將大于材料在單向壓縮時(shí)間的極限應力δy，若以材料斷裂為極限應力，其坐標值將趨近于無(wú)限大；橢球表面還應經(jīng)過(guò)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“強度橢球”顯見(jiàn)會(huì )因材料在動(dòng)靜載、溫度等外界條件的改變下，象氣球一樣大小變化。
三、三軸試驗機技術(shù)
建立“強度橢球”的最大障礙是研制一臺能使構件測試區產(chǎn)生三向不同比例主應力的試驗機用來(lái)模擬構件真實(shí)應力。隨著(zhù)試驗機技術(shù)的發(fā)展，微機控制電液伺服液壓萬(wàn)能試驗機技術(shù)得到較大的提高，將其技術(shù)合理運用來(lái)研制開(kāi)發(fā)多功能用途的三軸試驗機。下面就這個(gè)方面進(jìn)行討論。
微機控制電液伺服液壓萬(wàn)能試驗機是通用的機械性能測試儀器，采用微機數字控制，通過(guò)脈寬調制技術(shù)對試驗機進(jìn)行參數預置、實(shí)現自動(dòng)控制、測量及數據處理，開(kāi)發(fā)應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節，試驗參數的高精度控制、測量等技術(shù)難題，從而實(shí)現了液壓萬(wàn)能試驗機的高精度、寬范圍、多功能的電液比例伺服控制。利用該項目電液比例伺服控制技術(shù)，控制同方向的兩個(gè)對稱(chēng)油缸，即可實(shí)現等應力、等位移多種功能的試驗控制。用三套獨立的電液比例伺服控制系統控制每個(gè)方向的兩個(gè)對稱(chēng)油缸，即可實(shí)現三個(gè)方向不同比例的主應力的三軸試驗。
四、三軸試驗機的結構設計
研制三軸試驗機的關(guān)鍵是如何實(shí)現三軸方向進(jìn)行不同比例主應力試驗控制的同時(shí)實(shí)現油缸位移的同步控制，使得任一組不同比例的主應力值都可以在空間坐標系中找到其對應的幾何點(diǎn)，形成所有組主應力的集合。如何充分利用電液伺服控制技術(shù)是解決這一問(wèn)題所在。
采用剛性對稱(chēng)結構在x、y、z三個(gè)方向分別設計兩個(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(chēng)油缸上的其中之一安裝一個(gè)負荷傳感器，用單片機控制兩個(gè)油缸同步運動(dòng)的同時(shí)，控制試驗力，經(jīng)閉環(huán)反饋實(shí)現位移同步的等應力高精度控制。用三個(gè)單片機控制三套單獨的力、位移參量，就可實(shí)現三個(gè)方向不同比例的主應力的三軸試驗，用一臺計算機控制三個(gè)單片機實(shí)現三軸方向各個(gè)伺服系統的單獨控制，并且實(shí)現等位移控制試驗，實(shí)現負荷、位移多功能的控制試驗，控制原理見(jiàn)圖1電器原理框圖。
196 A/D轉換 測量放大器 力傳感器
工 單 位移計數器A 細分鑒相A 光柵尺A
業(yè) 片 脈寬調制A 功率放大A 調速比例閥A
控 機 位移計數器B 細分鑒相B 光柵尺B
制 Ⅰ 脈寬調制B 功率放大B 調速比例閥B
機 196 單片機Ⅱ同Ⅰ
196單片機Ⅲ同Ⅰ
圖1 電器原理框圖
五、三軸試驗機的技術(shù)特點(diǎn)
1、 采用剛性固定框架結構，每對對稱(chēng)油缸同心度好，為實(shí)現不同比例的等應力控制創(chuàng )造條件。
2、 采用光柵尺結合細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，采用高精度負荷傳感器及智能化放大器，測量試驗力具有量程寬、精度高等特點(diǎn)。采用全數字式的測量 控制、顯示系統，結構簡(jiǎn)單，傳感器精度高，分辨率高，穩定性好。三軸各方向能單獨連續自動(dòng)地測量、控制負荷、位移等參數，實(shí)現多種控制功能。在試驗過(guò)程各種速度可隨意切換，且各方向均可單獨控制試驗。在實(shí)現等應力控制、等位移控制、恒應力及恒位移控制同時(shí)，還可作各方向的低周波形試驗等。
3、 采用新型比例閥組合，結構緊湊，體積小，制造方便，功能完善，尤其是小流量、小內泄（最小穩定流量0.0034L/min）等特點(diǎn)，為試驗機各方向的寬范圍調速打下基礎。比例閥組合結構，抗污染能力強，可實(shí)現無(wú)故障工作。
4、 整機的調速系統以軟件為主體，實(shí)現軟件調速（提高了產(chǎn)品的可靠性）。在整機功能增強的情況下，電路設計卻大大簡(jiǎn)化，只有小部分強電外，大部分的測量控制電路包括模/數轉換、光柵尺系統等設計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(dòng)鍵盤(pán)操作和程序自動(dòng)控制兩種試驗方式，試驗操作由微機屏幕漢字窗口顯示、漢字下拉菜單提示、并有底行注釋?zhuān)囼炃€(xiàn)顯示、存儲并具有曲線(xiàn)放大功能，為分析加載過(guò)程提供極大的方便。
六、 結束語(yǔ)
三軸試驗機的研制開(kāi)發(fā)，對建立材料的強度理論起到可靠保證，豐富了強度理論的形成，“強度橢球”的建立，將會(huì )對材料的強度設計起到重要的指導意義。 |
