可原位观测拉扭复合试验机的设计及动静态分析

【摘要】可原位观测拉扭复合试验机的设计及动静态分析材料在服役期间的失效破坏已经成为制约各国工业和国民经济发展的瓶颈问题。材料失效破坏的原因一方面是对材料服役条件下的力学性能测试能力不足，另一方面是对材料的变形损伤机制不清楚。本文通过对拉扭复合试验机和原位测试技术的现状进行了系统的分析和研究后发现，商业化拉扭复合试验机不具备原位观测功能，而目前的原位测试系统存在载荷单一、加载能力小的问题。针对现存问题，本文开发一台搭载高景深原位观测平台，可进行准静态拉伸、拉伸疲劳、准静态扭转的试验机，在测试材料接近服役条件下力学性能的同时，深入研究材料的变形损伤机制。试验机包含机架、拉伸部分、扭转部分、夹具单元、观测平台，整体采用四立柱结构，对称加载方式。拉伸部分采用液压伺服系统，论文对其设计计算进行了详细的阐述。扭转部分采用行星齿轮和蜗轮蜗杆两级减速机构。提出了基于胀套夹紧的机械式夹具。论文利用虚拟材料法和弹簧单元法建立了试验机结合面的等效模型，利用模态测试技术，获得结合面频率响应曲线，基于有限元模拟方法识别了结合面的参数，同时也验证了结合面等效模型的正确性。论文分别建立试验机各部分和整体的动力学模型，机架由于立柱侧向刚度偏低，固有频率偏低，进而造成试验机的整体振型固有频率偏低，在拉伸疲劳载荷激励下产生共振，不符合要求。论文通过对机架立柱直径优化设计解决了该问题，增大立柱直径不仅解决机架固有频率偏低的问题，还能显著增加机架静刚度。拉伸部分和扭转部分设计满足要求。观测平台固有频率偏低，进而导致试验机观测平台处局部振型固有频率偏低，这是由于滚珠丝杠和滚动导轨结合面刚度偏低导致。论文研究了准静态拉伸时试件整体位移分布，发现试件位移零点在试件标距的0.5228处，据此确定了预制裂纹位置。对试验机固有频率进行试验分析，在不考虑结合面时，仿真结果与试验结果差别很大，甚至造成振型丢失，考虑结合面时，仿真结果误差在0.99%～17.6%，接近试验结果，验证了模型的可靠性。
【作者】张攀峰；
【导师】赵宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】原位观测；拉扭复合试验机；结合面；动力学；固有频率；

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