变比例载荷-应变率双向拉伸试验机管控软件开发及试验研究.docVIP

　　变比例载荷/应变率双向拉伸试验机管控软件开发及试验研究 1绪论 1.1引言 随着汽车、航空等行业的发展，在设计时需要采用有限元方法对板材的成形进行数值模拟。为了得到更高的计算精度，需要采用更适合的本构模型。众所周知，不同的材料如塑料，金属等具有强烈的各向异性，并且在不同应力路径下，其力学特性可能完全不同。为了得到材料合适的本构模型，了解其在不同应力路径下的力学特性，原有的单向拉伸试验已不能满足这种要求，需要对材料进行双向甚至三向拉伸试验。早期，学者们为了研究材料在复杂应力下强度断裂问题，在研究试件在双向拉伸条件下的试验时，往往采用以下几种做法：1.采用施加内压[2]或者在拉伸向另一方向施加一夹具来实现双向拉伸试验。2.衡模式双向拉伸试验[3]，只能模拟双向应力为1:1,2:1两种状态。3.薄膜凸胀双向拉伸试验[4]。这种方法只适用于薄膜，而不能用于板材。4.压力容器下的双向拉伸试验。主要用于校核其他试验结果。上述这种方式其适用性都较差，因而其得到的试验结果也无法满足需求。80年代以后，国内外不断开展双向拉伸试验机的研制，其功能不断拓展，不仅能满足荷载控制，还能满足应变率控制。不仅适用于静态试验，还适用于动态试验。总之，幵发双向拉伸试验机具有重要的科学应用价值。双向拉伸试验机的研宄涉及加载系统，控制系统，动力系统等问题。其中，控制系统是关键。控制系统的研究中又以控制算法为核心，首先要实现功能的扩展，如实现线性比例的位移，荷载控制到非线性比例的位移荷载控制，从荷载，位移到应变率的控制，从静态试验到动态试验。双向拉伸试验的另外一个问题便是构件的研究，这里边主要涉及采用何种形式的构件能够消除中心区的大变形，不均勾应力等问题。关于这个问题的发展在下面的文献综述中进行详细的介绍。 1.2研究现状 我国于80年代开始研制双向拉伸试验机，如黄思敬等人[5]为了模拟燃气机叶片的工作状态研发了一种双向拉伸试验装置,其试件材料加工较为繁琐。李网陵[6，7]团队于1987自主研制了机械式双向拉伸试验机，其功能只能测定应力比为1:1和2:1两种情况下的材料力学性能。Ferron[8]等人研制的双向拉伸试验仪于1988获得了法国专利，其结构形式与李网陵的有些相近，在性能上没有太大提升。谢仁华于1992年[9]研制了电液伺服双向加载试验机，其功能扩展到可以测量任意定比例荷载试验下的材料力学性能。1992年Makinde研制成功双拉机，其功能主要还是针对荷载试验。1994年Boehler[ii]研制的双拉机可实现任意方向上的双向拉伸，试件类型可以是任意形状，其最大载荷100KN。1995年Lin [12]的双拉机设计为竖向的，其特点是试验时可减小平面内弯矩。1998年Kuwabara研制的双拉机与Makinde的形状类似。2005年Gozzi[i4]研制的双拉机可研究不同比例应变率下的双拉试验。2000左右北京航空航天大学[15，16]也自主研发了双向拉伸试验机，其采用液压控制系统。为2012年北方工业大学[17]采用全闭环四轴同步的变比例载荷/位移双向拉伸试验机的控制系统自主研发了双向拉伸试验机。国际上，日本桑原利彦教授于2008年至2010年，已完成了薄板材料双向拉伸试验国家规范，目前正推往国际规范，其双向拉伸试验机如图1.1.C所示，釆用卧式设计，应力控制误差较小，但是应变控制方式较为落后，测量误差较大。德国研发的双向拉伸试验机其特点在于应变控制测量结果较佳，釆用两台高清摄像机进行应变控制，但是其功能较为单一，加载比例也不可调。以上所述的各种双拉机可见图1.1。 .. 2双向拉伸试验机硬件平台 2.1双向拉伸试验机机械结构 本文中的控制对象即变比例载荷/应变率双向拉伸试验机，如图2.1、图2.2所示，由北方工业大学机电工程学院冷弯成型实验室自主研制，属于材料力学测试技术领域，是一种机械式双轴材料拉伸试验装置。变比例载荷/应变率双向拉伸试验机分为四个方向拉伸，即共有四个轴向拉伸，通过滚珠丝杠运动实现拉伸台的拉伸。驱动机构由伺服电机+减速器+联轴器构成，驱动滚珠丝杠旋转。拉伸机构包括移动平台以及移动平台连接架，均设置在丝杠螺母上，通过丝杠螺母的移动带动拉伸机构进行移动。在特定的拉伸条件下通过控制各伺服电机的运动从而实现双向拉伸试验。本文采用西门子公司新一代SINAMICS S120控制系统[-133]，其与2007年正式登陆我国，并且在不同的工业领域中得到了大量的应用。关于SINAMICS S120控制系统的应用总结如下。郁林聪和吴达研宄了变速器试验中如何应用SINAMICS S120c李智[35]研究了 SINAMICSS120控制系统在造纸工业的应用，重点讨论了相关模块的设计。除此之外，李明辉、张冬梅[37]、刘