本文通過強度橢球的提出，對三軸試驗機技術(shù)進行論述。采用模擬構(gòu)件真實應(yīng)力的方法，對建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度條件，豐富強度理論的建立有著極其重要的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：強度橢球 幾何點 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的極限應(yīng)力進行比較即可。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
其實在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，雖然不能試驗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，得到一個空間網(wǎng)格面。網(wǎng)格坐標(biāo)即是有限組實驗的主應(yīng)力極限值，所以該網(wǎng)格面就是某種材料強度的臨界面。實驗測得主應(yīng)力極限值的組數(shù)愈多，臨界面將趨于一個光曲面。構(gòu)件內(nèi)危險點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，該點在臨界面內(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“強度橢球”，利用計算機動畫去比較一組主應(yīng)力是否在“強度橢球”內(nèi)，將使得強度計算工作變得簡單輕松。
設(shè)想“強度橢球”的大概形狀像一個鼓槌，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極限應(yīng)力值δL，槌頭的大部分圍繞坐標(biāo)原點；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（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、三軸試驗機技術(shù)
建立“強度橢球”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)力的試驗機用來模擬構(gòu)件真實應(yīng)力。隨著試驗機技術(shù)的發(fā)展，微機控制電液伺服液壓萬能試驗機技術(shù)得到較大的提高，將其技術(shù)合理運用來研制開發(fā)多功能用途的三軸試驗機。下面就這個方面進行討論。
微機控制電液伺服液壓萬能試驗機是通用的機械性能測試儀器，采用微機數(shù)字控制，通過脈寬調(diào)制技術(shù)對試驗機進行參數(shù)預(yù)置、實現(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)，試驗參數(shù)的高精度控制、測量等技術(shù)難題，從而實現(xiàn)了液壓萬能試驗機的高精度、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)，控制同方向的兩個對稱油缸，即可實現(xiàn)等應(yīng)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(tǒng)控制每個方向的兩個對稱油缸，即可實現(xiàn)三個方向不同比例的主應(yīng)力的三軸試驗。
四、三軸試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
研制三軸試驗機的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)三軸方向進行不同比例主應(yīng)力試驗控制的同時實現(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，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三個方向分別設(shè)計兩個等同的對心油缸，完成每個方向的對心加載。在每個油缸上安裝一個位移傳感器（光柵尺），再在每個對稱油缸上的其中之一安裝一個負(fù)荷傳感器，用單片機控制兩個油缸同步運動的同時，控制試驗力，經(jīng)閉環(huán)反饋實現(xiàn)位移同步的等應(yīng)力高精度控制。用三個單片機控制三套單獨的力、位移參量，就可實現(xiàn)三個方向不同比例的主應(yīng)力的三軸試驗，用一臺計算機控制三個單片機實現(xiàn)三軸方向各個伺服系統(tǒng)的單獨控制，并且實現(xiàn)等位移控制試驗，實現(xiàn)負(fù)荷、位移多功能的控制試驗，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 位移計數(shù)器A 細分鑒相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 位移計數(shù)器B 細分鑒相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 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
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，測量試驗力具有量程寬、精度高等特點。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。三軸各方向能單獨連續(xù)自動地測量、控制負(fù)荷、位移等參數(shù)，實現(xiàn)多種控制功能。在試驗過程各種速度可隨意切換，且各方向均可單獨控制試驗。在實現(xiàn)等應(yīng)力控制、等位移控制、恒應(yīng)力及恒位移控制同時，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(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，為試驗機各方向的寬范圍調(diào)速打下基礎(chǔ)。比例閥組合結(jié)構(gòu)，抗污染能力強，可實現(xiàn)無故障工作。
4、 整機的調(diào)速系統(tǒng)以軟件為主體，實現(xiàn)軟件調(diào)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(shè)計卻大大簡化，只有小部分強電外，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，試驗曲線顯示、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
三軸試驗機的研制開發(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，將會對材料的強度設(shè)計起到重要的指導(dǎo)意義。 |
