多种结构框架在拉压试验机中的应用研究

引言

拉压试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，拉压试验机是一种不可缺少的重要测试仪器，对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、保证产品安全可靠等都具有重要作用。

我国拉压试验机的制造，从无到有、从小到大、从单参数到多参数、从静态到动态，已逐步发展到初具规模，本文重点介绍常见结构框架在拉压试验机中的应用。

1结构框架常见形式

拉压试验机按基本安装形式，可分为立式结构和卧式结构两大类。其中，立式结构可分为立式单杆、立式双杆及立式多杆结构；卧式结构分为卧式双杆和卧式多杆形式。下面对各种试验机框架结构的具体形式、应用场合及优缺点进行讨论。

1.1立式框架结构

立式框架结构占地较小，是一种常见的结构形式，多用于小载荷试验及材料试验。图1所示就是一种立式单杆试验机的结构图。

立式单杆形式主要用于小型拉力试验，载荷范围一般为几百千克。这种结构的试验机多用于桌面小型试验，框架结构由固定座、单承力柱、移动架和加载头组成，如图1所示。加载系统多采用电机加丝杠的加载方式，具有结构简单、成本较低的特点，但是悬臂梁结构会使得框架稳定性较差，所以该结构形式只能用于小型拉压试验。

图2所示是一种立式双杆结构的示意图。立式双杆结构是较为常见的一种形式，常见的万能材料试验机大多采用这种结构形式，框架结构由固定座、两个承力柱、移动架和加载头组成，如图2所示。加载方式多采用丝杠加载或液压紅加载方式。这种结构的优点是立柱起导向及承力作用，结构稳定性好，设备占地小，可进行较大载荷试验，中心加载对心效果好，加载控制较为简单；其缺点主要是不利于大尺寸试验件及重量较大的试验件安装，只能对试验件进行轴向载荷试验。

此外，还有立式多杆结构。多杆形式也是一种较为常见的框架结构形式，多为四杆形式，基本结构和优缺点与双杆结构类似。该种结构稳定性更好，可承受更大载荷，但对立柱、移动架加工安装精度要求也更高，否则很易出现不同步移动架卡滞现象，这一点是采用这种结构需要注意的。

1.2卧式框架结构

卧式框架结构多用于大载荷拉压试验、钢管类细长试件的拉压试验。卧式结构优点是方便试件安装操作，并且可以灵活地在底座上安装用于施加侧向力或其他试验的夹具。

卧式框架结构有卧式单紅两杆结构。该结构采用一个液压紅中心单点加载，如图3所示。这种结构形式也可根据拉压载荷的需求，利用一个反向架结构将液压紅的作用力反向，如图4所示。可移动框架可根据实际要求采用固定或可移动结构,由于框架为卧式结构，承力柱应考虑本身自重所产生的挠度,以及采用细长杆结构而带来的稳定性问题。该结构的优点是,单紅加载方式试验对中性好，不会产生偏载，框架稳定性较好,试件安装简单，操作方便，系统控制也较为简单、可靠；其缺点是，必须选用大吨位液压紅，而大吨位液压紅加工困难,成本也较高。

图4单缸两杆结构示意图（反向架结构）

其次就是卧式双紅两杆结构，双紅两杆结构框架采用两个液压紅加载，如图5所示。两个液压紅分别安装在承力柱上，加载时共同施加载荷在一个可移动加载头上。这种结构形式相对于单紅两杆结构的优点是框架体积较小，可采用相对较小的液压紅。缺点主要有：首先，由于两个液压紅在加工时的误差，两个液压紅很难做到同步，在加载时会产生偏载，从而影响实验结果，为解决偏载问题，控制系统就要采用协调加载方式，从而大大提高了控制成本；其次，采用这种结构还要重点考虑加载不同步可能弓起的液压紅及框架的卡滞及加载不同步极端情况对框架的破坏。

另外，也有卧式四缸四杆结构，该结构的优缺点与双紅两杆结构类似，框架的稳定性很好，可以做到很大的加载能力,但缺点是协调加载的控制难度更大。

2结构框架优化设计

目前，我国制造的拉压试验机能保证良好的性能、质量和可靠性，但是，与世界工业发达国家相比，我国的拉压试验机更多的是结合材料力学计算及以往设计经验进行结构设计，效果不是很好,甚至可能导致个别部件出现问题;另外,比国外试验机相对笨重，因而导致生产成本提高，市场竞争力下降；同时，由于市场需求不同导致参数发生变化时，技术人员需要在结构上进行改变，产生冗余工作，增加设计时间,也增加了生产成本。

因此，在对试验机进行设计时，尤其是大型试验机，结构框架的优化是不可或缺的。结构的优化设计不仅可以降低结构质量，而且能够改进结构的强度、刚度、振动特性、屈曲稳定性等特性。

2.1结构拓扑优化方法

拓扑优化是根据既定的结构类型、形式、工况、材料和规范所规定的各种约束条件(如强度、刚度、频率等)，提出优化的数学模型(包括目标函数、约束条件和设计变量)，最后达到材料的合理分配，使结构满足设计要求[6]。目前，连续体拓扑优化的研究已经较为成熟，其中变密度法已经被应用到商用优化软件中，其中最著名的是美国Altair公司Hyperworks系列软件中的OptiStruct优化模块，能够采用Hypermesh作为前处理器，在各大行业内应用最多。

2.2OptiStruct优化功能

OptiStruct是基于有限元的方法，通过对结构拓扑、形状、尺寸等优化，得到精确优化的设计结果。OptiStruct运用多种不同的贯穿于设计的各个阶段的优化方法，对静力、模态进行分析优化，此外，对于存在上百个变量和响应的大模型亦可进行优化。OptiStruct的主要优化计算方法有变密度法和均匀化法。

OptiStruct进行优化前，需要在Hypermesh中进行结构优化的前处理及定义，第一步是在Hypermesh中进行有限元建模、优化变量定义、约束和目标定义、结构响应定义等，第二步是在OptiStruct中进行结构的优化，第三步是在Hypermesh中对OptiStruct的优化结果进行后处理。OptiStruct已与Hypermesh实现无缝连接，从而使上述过程方便快捷。

综上所述，运用OptiStruct进行结构优化主要分为以下几个步骤：首先是在Hypermesh中进行前处理、输入文件；然后创建有限元模型并优化参数定义，定义工作主要是定义优化变量、定义结构响应和定义约束和目标；其次是在OptiStruct中进行优化计算；最后在Hypermesh中进行后处理及结果验证。其流程图如图6所示。

图6OptiStruct优化流程图

3结语

本文对拉压试验机结构框架进行了重点介绍，并将结构拓扑优化的方法引入到了框架的结构设计中，为拉压试验机的设计提供了方向性的指导。在试验机设计中，需要根据具体应用环境选择框架结构，然后在此基础上对框架模型进行结构拓扑优化，减轻结构重量，改进结构的强度、刚度等特性。本文的提出对于试验和其他相关行业具有一定的工程借鉴和指导意义。

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