三向应力加载试验机力位混合控制研究

发布时间：2020-09-26 17:48

　　高压成形是当今制造业一种先进的加工技术,能够实现异型空心构件的生产。在高压成形过程中,材料的力学性能、管件几何参数和加载路径对构件的成形质量都有影响。成形的缺陷和管材壁厚分布特性与不同的应力加载路径紧密相关,因此采用能够模拟高压加载环境的试验机研究不同材料在高压下的性能,对于成形质量与工艺十分重要。本课题以三向应力加载试验机为研究对象,分析加载过程中存在的问题及产生原因,对其控制系统展开研究,试验管材在轴向力、内压和外压三向应力复合加载下具有复杂的受力情况,三向应力与加载量的大小紧密相关。对此本文推导了三向应力与加载力之间的计算公式和管材变形公式,并采用ABAQUS分析了管材的变形趋势,总结出加载过程中会遇到的变刚度问题和干扰问题。对试验机系统而言,了解其系统的运动特性是制定控制策略的基础,因此根据各通道动力机构的结构原理,针对推力缸和内外增压器推导了数学模型,并利用Simulink软件搭建单通道仿真模型,来分析系统位置控制和力控制的响应特性。此外,本文还利用AMESim软件搭建了复合加载模型,对变形模拟过程总结的问题进行仿真,以此制定控制策略。本文借鉴机器人的柔顺性控制经验,将基于力的阻抗控制引入到推力缸系统的控制中,实现了应对管材伸长干扰加大密封力的目的。此外,对于阻抗控制存在跟踪偏差的问题,推导了自适应控制律,使得推力缸在力控制下实现期望位置的跟踪。通过不同控制方式的选择,能够使试验机具有不同程度的柔顺特性。对试验机的加载机构进行了改进以提升试验效率,并编写控制程序实现控制策略。通过参数的调试对试验机进行了单向和多向加载试验,对试验结果进行了过程分析和应用探讨。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH87
【部分图文】：

知名企业,内高压成形,设备

及电液伺服技术的出现，得以用小的电信号控制大功率的出力，试验机的得到很大提高，加载的速度、力都可以通过计算机实时控制，应力应变的以实时采集和储存。液压试验机在工业中已经得到广泛应用，除了加载力大，控制精度好以外实现双向和三向加载，其较大的液压刚度可以较好的应对负载变化，此外能起到润滑作用，使各种元器件的寿命更长，主要用于对金属材料、岩土属材料进行拉压弯剪试验[9]。上世纪 50 年代左右，美国 MTS 公司采用电术，研制出第一台液压材料试验机，并用于材料的疲劳强度试验[10]。我国材料试验机的研究起步较晚，1971 年第一台 DPI 型电液伺服低频疲劳试长春诞生[11]。80 年代，国内开始有试验机厂与国外企业合资生产，如济厂的 WAW-500 型试验机，通过电液伺服技术，可以实现恒力速率，恒应的加载。近年来，得益于 DSP（数字信号处理）技术的发展，液压试验机全数字化的发展阶段。目前，世界上先进的材料试验机仍被国外垄断，主的 MTS 公司、INSTRON 公司、德国的 SCHENCK（申克）公司和 ZWIC）公司以及日本 SHIMADZU（岛津）公司等[12-15]，其典型产品如图 1-1 所

管材胀形,试验机

哈尔滨工业大学硕士学位论文1.2.2 高压成形试验机研制概述常规的液压液压材料试验机一般只能进行拉压弯剪等力学试验，无法进行内压的模拟，针对内高压成形的试验机仅有大学等机构在做。2000 年，美国俄亥俄州立大学的相关学者开发了如图 1-2 所示的胀形装置，该装置利用上下两个平板和一个圆形套筒组成密闭容腔，并通过定位圈和密封圈将管材固定，平板上的孔可以对管材进行补液加压[16]。虽然该装置实现了内压力的加载，但结构的设计导致牺牲了轴向的加载，只能研究管材的胀形规律。随后在 2003 年，日本的 ToshihikoKuwabara 等人设计了如图 1-3 所示的轴向力和内压力复合加载的试验机[17]，并引入电液伺服技术，使得加载路径可以更为复杂，该装置采用两个对称安放的单出杆活塞缸，利用连杆机构进行轴向的拉伸加载，同时用一个小型增压器对管材内部加压。该装置实现了两向应力的复合加载，缺点是占空间偏大，且轴向只能进行拉伸。

复合加载,试验机,内压

【参考文献】