基于可变载荷力学性能测试平台的试验样件结构设计与有限元分析

张旭 李玉爽 张广祥 郭鹏强

基于可变载荷力学性能测试平台的试验样件结构设计与有限元分析

张旭 李玉爽 张广祥 郭鹏强

（芜湖职业技术学院，安徽芜湖，241006）

可变载荷力学测试平台主要用于机械工程中大型零部件的检验检测，可以进行单项力学性能测试（如拉伸、压缩测试），也可以进行和复杂机械载荷下的试样性能测试。研究人员结合工程实践，从测试可行性出发，提出了多种试验样件的结构设计方案，并对这些方案进行了理论分析。通过定性地对比不同方案的利弊，并利用有限元分析软件ANSYS的Workbench模块对优选的设计方案进行了静力学力学分析，得到正常工况和极限工况下不同结构的有限元分析数据。通过数据对比分析优选出的“十字骨架”式的结构设计方案，从理论上论证了试验样件结构设计的可行性，为后期机械零部件的力学性能测试提供了理论指导。

力学性能测试；试验样件；结构设计；有限元分析。

引言

机械制造领域中，对于承载的大型零部件，在产品研发后期需要进行独立的力学性能测试，以验证其设计的科学性。为此，专门设计搭建一种可变载荷力学测试平台，用于机械工程中大型零部件的检验检测，显然，影响试验能否顺利进行的关键因素之一就是试验样件的设计。样件的结构设计必须基本满足以三个条件：一是结构工程还原度高，样件结构的设计必须需要契合工程实际，既满足“样件”的本身作用，又需要能真实反映实际工况；二是结构要简单，试验样件本身结构不能复杂，加工制造需要容易实现，否则会增加试验过程中不确定因素的产生几率，干扰正常测试的结果[2]；三是试验样件能够承受正常工况下的载荷，在正常载荷作用下不发生失效变形，否则即可认定试验无效。

1.可变载荷力学性能测试平台

1.1 测试平台结构组成

如图1所示，是可变载荷力学性能测试平台的整体结构及组成部分，测试平台的基座通过地脚螺栓安装在地面，装夹夹具通过螺栓紧固件固定在基座上，测试样件通过紧固件固定于夹具上。

测试平台最重要的功能是模拟真实工况下的各种复杂载荷，因此平台的载荷模拟部分的设计包括千斤顶及其辅助工装、MTS（MTS： Mechanical Testing & Simulation，美国力学测试与模拟系统[3]）、反力支撑梁、转矩梁等。转矩梁两端的千斤顶是通过电气开关控制的，可实现对测试样件的弯矩载荷施加；基座上的千斤顶可以实现对测试样件的水平X方向和Y方向的载荷的施加；通过反力支撑梁顶部的MTS系统则可以实现竖直Z方向的主要载荷的施加。

在机械测试中，测试平台可以摆脱传统测试设备和测试方法单一的问题，实现复杂机械载荷（包括X、Y、Z方向的载荷及转矩）的同时模拟施加并且测试平台尺寸可根据实际测试样件大小进行调整，可对工程设备的大型零部件的机械性能测试[4]。

图1 可变载荷力学性能测试平台三维图

1.2 测试平台额定加载能力

平台在测试时可以通过各液压系统（MTS系统和千斤顶组），对试验样件进行加载：MTS可在垂直方向上施加最大载荷50kN；基座上的水平安装的千斤顶可以实现对测试样件的水平X方向和Y方向最大20kN的载荷的施加；弯矩梁两端的千斤顶形成等效扭矩为17.5kN。

为了使得每一台液压千斤顶在施力时都有恰当的作用点，载荷的施准确、方便，试验样件采用“半柱状”的结构设计。试验样件结构能够保证施加的每项载荷都能通过试验样件对称中心位置，以保证施加载荷后的试验样件在整体测试系统中的位置稳定性[5]，同时也能保证测试时所施加的预定载荷能够和实际工况下的载荷吻合，增强测试结果的真实性，测试平台工装如图2所示。这种形式的力学性能测试能够在实际生产中大幅降低相关产品的研发成本，缩短设计周期，提升产品质量。

图2 测试平台工装图

2.试验样件的结构设计

2.1 试验样件的外部结构设计

考虑到实际测试设备和测试场地等多种因素，试验样件结构并不是理想的“半柱状”外形，因此，对于整体测试的加载方案来说，试验样件的结构还需要改进[6]。

试验样件的外形尺寸采用实际部件的参数如图3所示，此案例中，其半径为238mm，壁厚10mm，轴向长度为500mm，材料采用316不锈钢，主要采用焊接法制造。为了使试验样件与测试设备之间更容易配合，其过轴线的平面向上加高了100mm的距离。这种结构上的改变使得垂直载荷、侧向载荷、轴向载荷的方向都通过了试验样件圆柱曲面的中心轴线，载荷施加更加准确、平稳[7]，如图4所示。

图3 试验样件基本尺寸设计

在试验样件顶端未被加高设计前，可以看到水平千斤顶的施力的方向和圆弧面的轴心方向不相交，这就会引起载荷力的偏移从而导致测试结果的不真实性；如果偏移量超过一定的限度，则会造成整个测试系统的倾斜或是倾覆；如若是在加载后期导致测试系统的倾斜，则很有可能破坏到被测试的所有结构甚至于是测试系统[8]，如图4（a）所示。

图4(a) 试验样件高度设计对比:试验样件未加高

图4（b） 试验样件高度设计对比:试验样件加高后

加高后的试验样件能够很好地解决这种结构设计不合理而引起的载荷偏移的现象，如图4（b）所示。

综上，加高结构不论是从理论分析还是实践操作上来说都更合理，可以采用。

2.2 试验样件内部结构设计

试验样件的外部结构设计仅仅是在结构上满足了测试工装合理的要求。在实际试验中，如果试验样件本身的强度不足以承受外来的载荷，则测试将无法进行。因此，为了满足试验样件自身的机械强度要求，其内部的结构设计尤为重要。

针对试验样件具体的载荷施加方案，设计三种试验样件的内部结构。三种结构的内部加强筋结构如表1所示。

表1 试验样件内部设计方案

2.3 试验样件整体结构定性分析

针对上述不同设计方案进行定性分析，排除不理想的设计方案。

对于方案①，试样的结构简单，易加工制造结，成本较低，结构对垂直方向载荷有较好的抵抗能力；沿着轴线方向也有较好的承载能力；垂直于轴线方向因内部三片支撑钢板为扇形分布，其承载能力相对较弱，三片钢板的底部集中区域，在施加垂直载荷后易产生应力集中[9]。

对于方案②，内部的“十字加骨架”结构焊接工艺简单，结构在垂直方向和水平方向的刚度及强度相较于方案①有明显增强，能够较好地抵抗垂直载荷、水平载荷的作用，且水平方向（X方向和Y方向）的抗载荷能力相对于方案①有较大提升；在方案①中，内部的“三角骨架”结构使整个部件在轴向上的强度优于方案②中的设计，而方案②在垂直方向上的强度相较于内部没有加强筋的方案①来说，必然会有很大的增强。焊接工艺上，方案②相较于方案①来说，难度有所增加，但不明显，且方案①中两块斜置的肋板只能在朝上缝隙处焊接，会影响但整体的强度，需要进一步通过有限元分析，得出最终结论。

对于设计方案③，采用“鱼骨架”式的加强结构，考虑到所有的载荷施加都集中在试验样件的中部，所以中间并排的三块加强版的分布集中在了轴向的中部，这样能够更好地抵抗多方位的载荷所引起的形变。不论从侧面或是垂直方向上的刚度或强度与方案①和②做对比，方案③的结构都能够显示其优越性。需要指出的是三种方案的加强板筋在设计过程中均采用厚度10mm。方案③种不容忽视的是其结构加工制造工艺复杂，会产生更多的焊缝，且焊接时焊枪难以深入到内部焊缝处，焊接操作难以实施，试件在焊接过程中也容易发生变形[10]，影响后续试验加载结果，加之制造成本相较于方案①和②更高，因此，排除方案③设计方案，初步确定方案①和②的结构设计为备选方案。

2.4 试验样件结构的有限元分析

利用上述不同方案建立的三维模型，通过有限元软件ANSYS Workbench对两种方案的结构进行分析。

对于两种方案的有限元模型，都选取材料为314L奥氏体不锈钢stainless steel，弹性模量（这里指杨氏模量）为E=1.90X105MPa，屈服强度σ0。2=245MPa，抗拉强度σb=550MPa，密度为ρ＝7.95g/cm3，网格划分采用自动四面体网格划分，全局尺寸控制Element Size设置为10mm，跨度中心角选用中等Medium水平。

根据力学性能测试要求，在有限元分析试验样件的受力情况时，应分别对每一种设计方案施加两组载荷：一组为正常工况下的载荷，另一组为极限工况下的载荷，如表2所示。

表2 载荷施加情况 （单位：KN）

说明：1号液压杆为MTS所施加的载荷；2号液压杆为施加载荷方向垂直于试验样件轴线方向的液压杆；3号液压杆为施加载荷方向与试验样件轴线方向重合的液压杆；4、5号液压杆为转矩梁两端的液压杆。

对于方案①的试样结构在正常工况下的有限元分析结果如图5（a）、（b）、（c）中各云图所示，方案①的试样结构在极限工况下的有限元分析结果如图6（a）、（b）、（c）中各云图所示。

图5（a） 方案①在正常工况下的总变形总变形云图

图5（b） 方案①在正常工况下的等效应变云图

等效应力云图

图5（c） 方案①在正常工况下的等效应力

图6（a） 方案①在极限工况下的总变形云图

图6（b） 方案①在极限工况下的等效应变云图

图6 方案①在极限工况下的等效应力

同样的分析方法可以得到方案②的试样结构在正常工况和极限工况下的有限元分析的极值数据。将两种设计方案在两组载荷下的分析结果进行汇总，如表3所示。

表3 方案①和方案②有限元分析汇总表

从有分析的结果可以得出在正常工作的载荷时，方案①和方案②的等效应力均小于314L奥氏体不锈钢的抗拉强度550MPa，而在力学性能表现方面，方案①的试样产生的变形为0.636mm，大于方案②的0.209mm；前者应变为6.0714e-4mm大于后者的4.7372e-4mm；前者应力为117.18MPa，大于后者的91.43MPa；综上数据分析可知，在正常工作条件下，方案②的试验样件结构的力学性能要优于方案①。另外，在制造工艺和制造成本等方面两种设计方案相差不大。

在测试平台处于极限载荷时，两种设计方案的等效应力值都小于314L奥氏体不锈钢的抗拉强度值550MPa，试验样件不会发生突发性的破坏，但是等效应力值已经超过了材料的屈服强度245MPa，两种结构设计都会发生塑性变形，从综合表现来看，方案②的应力应变值更小一些，试验样件的结构设计更加合理。

综上所述，在使用可变载荷力学性能测试平台对测试样件进行试验时，方案②的试验样件结构设计方案可作为后期测试使用。

小结

我们从工程实际出发，论述了可变载荷力学性能测试平台的整体结构及工作原理，着重对测试所需的试验样件结构设计做了讨论，提出了不同的结构设计方案并对优选的两种种设计方案进行了有限元分析力学分析，分析的结果显示，方案②“十字骨架”的结构设计能够在最大程度上满足测试平台对试验样件的使用需求，从理论上为试验样件的设计提供了科学方案，为后续测试工作提供了参考。

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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

张旭（1990—），安徽六安人，硕士，芜湖职业技术学院讲师，研究方向为机械制造及其自动化。

研究项目：芜湖职业技术学院2018年“大学生创新创业项目成果转化”校级自然科学重点项目（Wzcxcyzh201803）；芜湖职业技术学院2018年校级科学研究项目“基于CETOL环境中MonteCarlo算法与统计学算法下数控车床进给机构的公差分析”（Wzyzr201813）。

文稿责编 戴晓东