張旭 李玉爽 張廣祥 郭鵬強

基于可變載荷力學性能測試平臺的試驗樣件結構設計與有限元分析

張旭 李玉爽 張廣祥 郭鵬強

（蕪湖職業(yè)技術學院，安徽蕪湖，241006）

可變載荷力學測試平臺主要用于機械工程中大型零部件的檢驗檢測，可以進行單項力學性能測試（如拉伸、壓縮測試），也可以進行和復雜機械載荷下的試樣性能測試。研究人員結合工程實踐，從測試可行性出發(fā)，提出了多種試驗樣件的結構設計方案，并對這些方案進行了理論分析。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)選的設計方案進行了靜力學力學分析，得到正常工況和極限工況下不同結構的有限元分析數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比分析優(yōu)選出的“十字骨架”式的結構設計方案，從理論上論證了試驗樣件結構設計的可行性，為后期機械零部件的力學性能測試提供了理論指導。

力學性能測試；試驗樣件；結構設計；有限元分析。

引言

機械制造領域中，對于承載的大型零部件，在產品研發(fā)后期需要進行獨立的力學性能測試，以驗證其設計的科學性。為此，專門設計搭建一種可變載荷力學測試平臺，用于機械工程中大型零部件的檢驗檢測，顯然，影響試驗能否順利進行的關鍵因素之一就是試驗樣件的設計。樣件的結構設計必須基本滿足以三個條件：一是結構工程還原度高，樣件結構的設計必須需要契合工程實際，既滿足“樣件”的本身作用，又需要能真實反映實際工況；二是結構要簡單，試驗樣件本身結構不能復雜，加工制造需要容易實現(xiàn)，否則會增加試驗過程中不確定因素的產生幾率，干擾正常測試的結果[2]；三是試驗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，否則即可認定試驗無效。

1.可變載荷力學性能測試平臺

1.1 測試平臺結構組成

如圖1所示，是可變載荷力學性能測試平臺的整體結構及組成部分，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工況下的各種復雜載荷，因此平臺的載荷模擬部分的設計包括千斤頂及其輔助工裝、MTS（MTS： Mechanical Testing & Simulation，美國力學測試與模擬系統(tǒng)[3]）、反力支撐梁、轉矩梁等。轉矩梁兩端的千斤頂是通過電氣開關控制的，可實現(xiàn)對測試樣件的彎矩載荷施加；基座上的千斤頂可以實現(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)則可以實現(xiàn)豎直Z方向的主要載荷的施加。

在機械測試中，測試平臺可以擺脫傳統(tǒng)測試設備和測試方法單一的問題，實現(xiàn)復雜機械載荷（包括X、Y、Z方向的載荷及轉矩）的同時模擬施加并且測試平臺尺寸可根據(jù)實際測試樣件大小進行調整，可對工程設備的大型零部件的機械性能測試[4]。

圖1 可變載荷力學性能測試平臺三維圖

1.2 測試平臺額定加載能力

平臺在測試時可以通過各液壓系統(tǒng)（MTS系統(tǒng)和千斤頂組），對試驗樣件進行加載：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都有恰當?shù)淖饔命c，載荷的施準確、方便，試驗樣件采用“半柱狀”的結構設計。試驗樣件結構能夠保證施加的每項載荷都能通過試驗樣件對稱中心位置，以保證施加載荷后的試驗樣件在整體測試系統(tǒng)中的位置穩(wěn)定性[5]，同時也能保證測試時所施加的預定載荷能夠和實際工況下的載荷吻合，增強測試結果的真實性，測試平臺工裝如圖2所示。這種形式的力學性能測試能夠在實際生產中大幅降低相關產品的研發(fā)成本，縮短設計周期，提升產品質量。

圖2 測試平臺工裝圖

2.試驗樣件的結構設計

2.1 試驗樣件的外部結構設計

考慮到實際測試設備和測試場地等多種因素，試驗樣件結構并不是理想的“半柱狀”外形，因此，對于整體測試的加載方案來說，試驗樣件的結構還需要改進[6]。

試驗樣件的外形尺寸采用實際部件的參數(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。為了使試驗樣件與測試設備之間更容易配合，其過軸線的平面向上加高了100mm的距離。這種結構上的改變使得垂直載荷、側向載荷、軸向載荷的方向都通過了試驗樣件圓柱曲面的中心軸線，載荷施加更加準確、平穩(wěn)[7]，如圖4所示。

圖3 試驗樣件基本尺寸設計

在試驗樣件頂端未被加高設計前，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致測試結果的不真實性；如果偏移量超過一定的限度，則會造成整個測試系統(tǒng)的傾斜或是傾覆；如若是在加載后期導致測試系統(tǒng)的傾斜，則很有可能破壞到被測試的所有結構甚至于是測試系統(tǒng)[8]，如圖4（a）所示。

圖4(a) 試驗樣件高度設計對比:試驗樣件未加高

圖4（b） 試驗樣件高度設計對比:試驗樣件加高后

加高后的試驗樣件能夠很好地解決這種結構設計不合理而引起的載荷偏移的現(xiàn)象，如圖4（b）所示。

綜上，加高結構不論是從理論分析還是實踐操作上來說都更合理，可以采用。

2.2 試驗樣件內部結構設計

試驗樣件的外部結構設計僅僅是在結構上滿足了測試工裝合理的要求。在實際試驗中，如果試驗樣件本身的強度不足以承受外來的載荷，則測試將無法進行。因此，為了滿足試驗樣件自身的機械強度要求，其內部的結構設計尤為重要。

針對試驗樣件具體的載荷施加方案，設計三種試驗樣件的內部結構。三種結構的內部加強筋結構如表1所示。

表1 試驗樣件內部設計方案

2.3 試驗樣件整體結構定性分析

針對上述不同設計方案進行定性分析，排除不理想的設計方案。

對于方案①，試樣的結構簡單，易加工制造結，成本較低，結構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生應力集中[9]。

對于方案②，內部的“十字加骨架”結構焊接工藝簡單，結構在垂直方向和水平方向的剛度及強度相較于方案①有明顯增強，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，內部的“三角骨架”結構使整個部件在軸向上的強度優(yōu)于方案②中的設計，而方案②在垂直方向上的強度相較于內部沒有加強筋的方案①來說，必然會有很大的增強。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，會影響但整體的強度，需要進一步通過有限元分析，得出最終結論。

對于設計方案③，采用“魚骨架”式的加強結構，考慮到所有的載荷施加都集中在試驗樣件的中部，所以中間并排的三塊加強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。不論從側面或是垂直方向上的剛度或強度與方案①和②做對比，方案③的結構都能夠顯示其優(yōu)越性。需要指出的是三種方案的加強板筋在設計過程中均采用厚度10mm。方案③種不容忽視的是其結構加工制造工藝復雜，會產生更多的焊縫，且焊接時焊槍難以深入到內部焊縫處，焊接操作難以實施，試件在焊接過程中也容易發(fā)生變形[10]，影響后續(xù)試驗加載結果，加之制造成本相較于方案①和②更高，因此，排除方案③設計方案，初步確定方案①和②的結構設計為備選方案。

2.4 試驗樣件結構的有限元分析

利用上述不同方案建立的三維模型，通過有限元軟件ANSYS Workbench對兩種方案的結構進行分析。

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，屈服強度σ0。2=245MPa，抗拉強度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設置為10mm，跨度中心角選用中等Medium水平。

根據(jù)力學性能測試要求，在有限元分析試驗樣件的受力情況時，應分別對每一種設計方案施加兩組載荷：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樣件軸線方向重合的液壓桿；4、5號液壓桿為轉矩梁兩端的液壓桿。

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

等效應力云圖

圖5（c） 方案①在正常工況下的等效應力

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變云圖

圖6 方案①在極限工況下的等效應力

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

表3 方案①和方案②有限元分析匯總表

從有分析的結果可以得出在正常工作的載荷時，方案①和方案②的等效應力均小于314L奧氏體不銹鋼的抗拉強度550MPa，而在力學性能表現(xiàn)方面，方案①的試樣產生的變形為0.636mm，大于方案②的0.209mm；前者應變?yōu)?.0714e-4mm大于后者的4.7372e-4mm；前者應力為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的試驗樣件結構的力學性能要優(yōu)于方案①。另外，在制造工藝和制造成本等方面兩種設計方案相差不大。

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

綜上所述，在使用可變載荷力學性能測試平臺對測試樣件進行試驗時，方案②的試驗樣件結構設計方案可作為后期測試使用。

小結

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

[1]肖江村. 機械電子行業(yè)的科技創(chuàng)新路徑研究[J]. 科技風, 2019(8):85.

[2]王麗娟,馬維金,于瑞湘. 基于靜力學分析與靜扭試驗的變速器殼體強度研究[J]. 機械工程師, 2014(4):18-20.

[3]賈賢安. 基于MTS的結構抗震試驗技術研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學, 2007.

[4]李世紅. 關于典型機械零件材料的選擇[J]. 貴州農機化, 2018(2):14-19.

[5]仲廣民. 智能化多工位配料稱量機械系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D]. 青島科技大學, 2018.

[6]王子龍. 中國裝備制造業(yè)系統(tǒng)演化與評價研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2007.

[7]張玉美,楊斌元,閆海濤. 螺栓預緊力作用下轎車車輪彎曲試驗的有限元分析[J]. 機械制造, 2017,55(6):96-99.

[8]丁亮,羅計委,陳卓林,王大承. 通用門式起重機應力測試與數(shù)據(jù)處理研究[J]. 機械工程師, 2019(2):109-111.

[9]Ming Tao,Zhanwen Li,Wenzhuo Cao,Xibing Li,Chengqing Wu. Stress redistribution of dynamic loading incident with arbitrary waveform through a circular cavity[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2019,43(6).

[10]范瀝元,代緒成. 雙相不銹鋼焊接接頭宏觀金相試樣的制備[J]. 理化檢驗(物理分冊), 2019,55(3):169-171.

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)技術學院講師，研究方向為機械制造及其自動化。

研究項目：蕪湖職業(yè)技術學院2018年“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目成果轉化”校級自然科學重點項目（Wzcxcyzh201803）；蕪湖職業(yè)技術學院2018年校級科學研究項目“基于CETOL環(huán)境中MonteCarlo算法與統(tǒng)計學算法下數(shù)控車床進給機構的公差分析”（Wzyzr201813）。

文稿責編 戴曉東