基于可變載荷力學(xué)性能測試平臺的試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

張旭 李玉爽 張廣祥 郭鵬強(qiáng)

基于可變載荷力學(xué)性能測試平臺的試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

張旭 李玉爽 張廣祥 郭鵬強(qiáng)

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖，241006）

可變載荷力學(xué)測試平臺主要用于機(jī)械工程中大型零部件的檢驗(yàn)檢測，可以進(jìn)行單項(xiàng)力學(xué)性能測試（如拉伸、壓縮測試），也可以進(jìn)行和復(fù)雜機(jī)械載荷下的試樣性能測試。研究人員結(jié)合工程實(shí)踐，從測試可行性出發(fā)，提出了多種試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對這些方案進(jìn)行了理論分析。通過定性地對比不同方案的利弊，并利用有限元分析軟件ANSYS的Workbench模塊對優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了靜力學(xué)力學(xué)分析，得到正常工況和極限工況下不同結(jié)構(gòu)的有限元分析數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比分析優(yōu)選出的“十字骨架”式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從理論上論證了試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為后期機(jī)械零部件的力學(xué)性能測試提供了理論指導(dǎo)。

力學(xué)性能測試；試驗(yàn)樣件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析。

引言

機(jī)械制造領(lǐng)域中，對于承載的大型零部件，在產(chǎn)品研發(fā)后期需要進(jìn)行獨(dú)立的力學(xué)性能測試，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的科學(xué)性。為此，專門設(shè)計(jì)搭建一種可變載荷力學(xué)測試平臺，用于機(jī)械工程中大型零部件的檢驗(yàn)檢測，顯然，影響試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行的關(guān)鍵因素之一就是試驗(yàn)樣件的設(shè)計(jì)。樣件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須基本滿足以三個(gè)條件：一是結(jié)構(gòu)工程還原度高，樣件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須需要契合工程實(shí)際，既滿足“樣件”的本身作用，又需要能真實(shí)反映實(shí)際工況；二是結(jié)構(gòu)要簡單，試驗(yàn)樣件本身結(jié)構(gòu)不能復(fù)雜，加工制造需要容易實(shí)現(xiàn)，否則會增加試驗(yàn)過程中不確定因素的產(chǎn)生幾率，干擾正常測試的結(jié)果[2]；三是試驗(yàn)樣件能夠承受正常工況下的載荷，在正常載荷作用下不發(fā)生失效變形，否則即可認(rèn)定試驗(yàn)無效。

1.可變載荷力學(xué)性能測試平臺

1.1 測試平臺結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，是可變載荷力學(xué)性能測試平臺的整體結(jié)構(gòu)及組成部分，測試平臺的基座通過地腳螺栓安裝在地面，裝夾夾具通過螺栓緊固件固定在基座上，測試樣件通過緊固件固定于夾具上。

測試平臺最重要的功能是模擬真實(shí)工況下的各種復(fù)雜載荷，因此平臺的載荷模擬部分的設(shè)計(jì)包括千斤頂及其輔助工裝、MTS（MTS： Mechanical Testing & Simulation，美國力學(xué)測試與模擬系統(tǒng)[3]）、反力支撐梁、轉(zhuǎn)矩梁等。轉(zhuǎn)矩梁兩端的千斤頂是通過電氣開關(guān)控制的，可實(shí)現(xiàn)對測試樣件的彎矩載荷施加；基座上的千斤頂可以實(shí)現(xiàn)對測試樣件的水平X方向和Y方向的載荷的施加；通過反力支撐梁頂部的MTS系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)豎直Z方向的主要載荷的施加。

在機(jī)械測試中，測試平臺可以擺脫傳統(tǒng)測試設(shè)備和測試方法單一的問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械載荷（包括X、Y、Z方向的載荷及轉(zhuǎn)矩）的同時(shí)模擬施加并且測試平臺尺寸可根據(jù)實(shí)際測試樣件大小進(jìn)行調(diào)整，可對工程設(shè)備的大型零部件的機(jī)械性能測試[4]。

圖1 可變載荷力學(xué)性能測試平臺三維圖

1.2 測試平臺額定加載能力

平臺在測試時(shí)可以通過各液壓系統(tǒng)（MTS系統(tǒng)和千斤頂組），對試驗(yàn)樣件進(jìn)行加載：MTS可在垂直方向上施加最大載荷50kN；基座上的水平安裝的千斤頂可以實(shí)現(xiàn)對測試樣件的水平X方向和Y方向最大20kN的載荷的施加；彎矩梁兩端的千斤頂形成等效扭矩為17.5kN。

為了使得每一臺液壓千斤頂在施力時(shí)都有恰當(dāng)?shù)淖饔命c(diǎn)，載荷的施準(zhǔn)確、方便，試驗(yàn)樣件采用“半柱狀”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)能夠保證施加的每項(xiàng)載荷都能通過試驗(yàn)樣件對稱中心位置，以保證施加載荷后的試驗(yàn)樣件在整體測試系統(tǒng)中的位置穩(wěn)定性[5]，同時(shí)也能保證測試時(shí)所施加的預(yù)定載荷能夠和實(shí)際工況下的載荷吻合，增強(qiáng)測試結(jié)果的真實(shí)性，測試平臺工裝如圖2所示。這種形式的力學(xué)性能測試能夠在實(shí)際生產(chǎn)中大幅降低相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 測試平臺工裝圖

2.試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)樣件的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際測試設(shè)備和測試場地等多種因素，試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)并不是理想的“半柱狀”外形，因此，對于整體測試的加載方案來說，試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)還需要改進(jìn)[6]。

試驗(yàn)樣件的外形尺寸采用實(shí)際部件的參數(shù)如圖3所示，此案例中，其半徑為238mm，壁厚10mm，軸向長度為500mm，材料采用316不銹鋼，主要采用焊接法制造。為了使試驗(yàn)樣件與測試設(shè)備之間更容易配合，其過軸線的平面向上加高了100mm的距離。這種結(jié)構(gòu)上的改變使得垂直載荷、側(cè)向載荷、軸向載荷的方向都通過了試驗(yàn)樣件圓柱曲面的中心軸線，載荷施加更加準(zhǔn)確、平穩(wěn)[7]，如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)樣件基本尺寸設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)樣件頂端未被加高設(shè)計(jì)前，可以看到水平千斤頂?shù)氖┝Φ姆较蚝蛨A弧面的軸心方向不相交，這就會引起載荷力的偏移從而導(dǎo)致測試結(jié)果的不真實(shí)性；如果偏移量超過一定的限度，則會造成整個(gè)測試系統(tǒng)的傾斜或是傾覆；如若是在加載后期導(dǎo)致測試系統(tǒng)的傾斜，則很有可能破壞到被測試的所有結(jié)構(gòu)甚至于是測試系統(tǒng)[8]，如圖4（a）所示。

圖4(a) 試驗(yàn)樣件高度設(shè)計(jì)對比:試驗(yàn)樣件未加高

圖4（b） 試驗(yàn)樣件高度設(shè)計(jì)對比:試驗(yàn)樣件加高后

加高后的試驗(yàn)樣件能夠很好地解決這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而引起的載荷偏移的現(xiàn)象，如圖4（b）所示。

綜上，加高結(jié)構(gòu)不論是從理論分析還是實(shí)踐操作上來說都更合理，可以采用。

2.2 試驗(yàn)樣件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣件的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅是在結(jié)構(gòu)上滿足了測試工裝合理的要求。在實(shí)際試驗(yàn)中，如果試驗(yàn)樣件本身的強(qiáng)度不足以承受外來的載荷，則測試將無法進(jìn)行。因此，為了滿足試驗(yàn)樣件自身的機(jī)械強(qiáng)度要求，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

針對試驗(yàn)樣件具體的載荷施加方案，設(shè)計(jì)三種試驗(yàn)樣件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣件內(nèi)部設(shè)計(jì)方案

2.3 試驗(yàn)樣件整體結(jié)構(gòu)定性分析

針對上述不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定性分析，排除不理想的設(shè)計(jì)方案。

對于方案①，試樣的結(jié)構(gòu)簡單，易加工制造結(jié)，成本較低，結(jié)構(gòu)對垂直方向載荷有較好的抵抗能力；沿著軸線方向也有較好的承載能力；垂直于軸線方向因內(nèi)部三片支撐鋼板為扇形分布，其承載能力相對較弱，三片鋼板的底部集中區(qū)域，在施加垂直載荷后易產(chǎn)生應(yīng)力集中[9]。

對于方案②，內(nèi)部的“十字加骨架”結(jié)構(gòu)焊接工藝簡單，結(jié)構(gòu)在垂直方向和水平方向的剛度及強(qiáng)度相較于方案①有明顯增強(qiáng)，能夠較好地抵抗垂直載荷、水平載荷的作用，且水平方向（X方向和Y方向）的抗載荷能力相對于方案①有較大提升；在方案①中，內(nèi)部的“三角骨架”結(jié)構(gòu)使整個(gè)部件在軸向上的強(qiáng)度優(yōu)于方案②中的設(shè)計(jì)，而方案②在垂直方向上的強(qiáng)度相較于內(nèi)部沒有加強(qiáng)筋的方案①來說，必然會有很大的增強(qiáng)。焊接工藝上，方案②相較于方案①來說，難度有所增加，但不明顯，且方案①中兩塊斜置的肋板只能在朝上縫隙處焊接，會影響但整體的強(qiáng)度，需要進(jìn)一步通過有限元分析，得出最終結(jié)論。

對于設(shè)計(jì)方案③，采用“魚骨架”式的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，考慮到所有的載荷施加都集中在試驗(yàn)樣件的中部，所以中間并排的三塊加強(qiáng)版的分布集中在了軸向的中部，這樣能夠更好地抵抗多方位的載荷所引起的形變。不論從側(cè)面或是垂直方向上的剛度或強(qiáng)度與方案①和②做對比，方案③的結(jié)構(gòu)都能夠顯示其優(yōu)越性。需要指出的是三種方案的加強(qiáng)板筋在設(shè)計(jì)過程中均采用厚度10mm。方案③種不容忽視的是其結(jié)構(gòu)加工制造工藝復(fù)雜，會產(chǎn)生更多的焊縫，且焊接時(shí)焊槍難以深入到內(nèi)部焊縫處，焊接操作難以實(shí)施，試件在焊接過程中也容易發(fā)生變形[10]，影響后續(xù)試驗(yàn)加載結(jié)果，加之制造成本相較于方案①和②更高，因此，排除方案③設(shè)計(jì)方案，初步確定方案①和②的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為備選方案。

2.4 試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)的有限元分析

利用上述不同方案建立的三維模型，通過有限元軟件ANSYS Workbench對兩種方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

對于兩種方案的有限元模型，都選取材料為314L奧氏體不銹鋼stainless steel，彈性模量（這里指楊氏模量）為E=1.90X105MPa，屈服強(qiáng)度σ0。2=245MPa，抗拉強(qiáng)度σb=550MPa，密度為ρ＝7.95g/cm3，網(wǎng)格劃分采用自動四面體網(wǎng)格劃分，全局尺寸控制Element Size設(shè)置為10mm，跨度中心角選用中等Medium水平。

根據(jù)力學(xué)性能測試要求，在有限元分析試驗(yàn)樣件的受力情況時(shí)，應(yīng)分別對每一種設(shè)計(jì)方案施加兩組載荷：一組為正常工況下的載荷，另一組為極限工況下的載荷，如表2所示。

表2 載荷施加情況 （單位：KN）

說明：1號液壓桿為MTS所施加的載荷；2號液壓桿為施加載荷方向垂直于試驗(yàn)樣件軸線方向的液壓桿；3號液壓桿為施加載荷方向與試驗(yàn)樣件軸線方向重合的液壓桿；4、5號液壓桿為轉(zhuǎn)矩梁兩端的液壓桿。

對于方案①的試樣結(jié)構(gòu)在正常工況下的有限元分析結(jié)果如圖5（a）、（b）、（c）中各云圖所示，方案①的試樣結(jié)構(gòu)在極限工況下的有限元分析結(jié)果如圖6（a）、（b）、（c）中各云圖所示。

圖5（a） 方案①在正常工況下的總變形總變形云圖

圖5（b） 方案①在正常工況下的等效應(yīng)變云圖

等效應(yīng)力云圖

圖5（c） 方案①在正常工況下的等效應(yīng)力

圖6（a） 方案①在極限工況下的總變形云圖

圖6（b） 方案①在極限工況下的等效應(yīng)變云圖

圖6 方案①在極限工況下的等效應(yīng)力

同樣的分析方法可以得到方案②的試樣結(jié)構(gòu)在正常工況和極限工況下的有限元分析的極值數(shù)據(jù)。將兩種設(shè)計(jì)方案在兩組載荷下的分析結(jié)果進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3 方案①和方案②有限元分析匯總表

從有分析的結(jié)果可以得出在正常工作的載荷時(shí)，方案①和方案②的等效應(yīng)力均小于314L奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度550MPa，而在力學(xué)性能表現(xiàn)方面，方案①的試樣產(chǎn)生的變形為0.636mm，大于方案②的0.209mm；前者應(yīng)變?yōu)?.0714e-4mm大于后者的4.7372e-4mm；前者應(yīng)力為117.18MPa，大于后者的91.43MPa；綜上數(shù)據(jù)分析可知，在正常工作條件下，方案②的試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要優(yōu)于方案①。另外，在制造工藝和制造成本等方面兩種設(shè)計(jì)方案相差不大。

在測試平臺處于極限載荷時(shí)，兩種設(shè)計(jì)方案的等效應(yīng)力值都小于314L奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度值550MPa，試驗(yàn)樣件不會發(fā)生突發(fā)性的破壞，但是等效應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的屈服強(qiáng)度245MPa，兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都會發(fā)生塑性變形，從綜合表現(xiàn)來看，方案②的應(yīng)力應(yīng)變值更小一些，試驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

綜上所述，在使用可變載荷力學(xué)性能測試平臺對測試樣件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，方案②的試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可作為后期測試使用。

小結(jié)

我們從工程實(shí)際出發(fā)，論述了可變載荷力學(xué)性能測試平臺的整體結(jié)構(gòu)及工作原理，著重對測試所需的試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了討論，提出了不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并對優(yōu)選的兩種種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元分析力學(xué)分析，分析的結(jié)果顯示，方案②“十字骨架”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在最大程度上滿足測試平臺對試驗(yàn)樣件的使用需求，從理論上為試驗(yàn)樣件的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)方案，為后續(xù)測試工作提供了參考。

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Structural Design and Finite Element Analysis of Test Samples Based on Variable Load Mechanical Performance Test Platform

The variable load mechanics test platform is mainly used for the inspection of large parts in mechanical engineering. It can also perform single mechanical performance tests (such as tensile and compression tests) and sample performance tests under complex mechanical loads. Based on the engineering practice, researchers proposed the structural design schemes of various test samples from the test feasibility and made theoretical analysis on these schemes. Through comparison among advantages and disadvantages of differential schemes and static analysis on the selected design schemes by use of the finite element analysis software ANSYS Workbench module, the finite element analysis data of the different design structures under the normal and extreme working conditions can be obtained by researchers. The selected structural design scheme of "cross skeleton" through data comparison theoretically demonstrates the feasibility of the structural design of test samples and provides theoretical guidance for the mechanical performance test of the mechanical parts in the later stage.

mechanical performance test; test sample; structural design; finite element analysis.

TH114:TH122

A

1009-1114（2019）03-0035-06

2019-05-13

張旭（1990—），安徽六安人，碩士，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動化。

研究項(xiàng)目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化”校級自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（Wzcxcyzh201803）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年校級科學(xué)研究項(xiàng)目“基于CETOL環(huán)境中MonteCarlo算法與統(tǒng)計(jì)學(xué)算法下數(shù)控車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的公差分析”（Wzyzr201813）。

文稿責(zé)編 戴曉東