2019年中國石油大學.doc

1、中國石油大學多功能力學實驗臺結構設計及校核姓 名：陳星宇學 號：性 別：男專 業(yè)：機械設計制造及其自動化批 次：學習中心：指導教師：趙弘2014年10月1日中國石油大學（北京）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設計（論文）多功能力學實驗臺結構設計及校核摘要：為解決大尺寸結構用木材力學性能檢測問題，提出了一種新型力矩加載系統(tǒng)的 設計方案。設計了由電機驅動，通過螺旋傳動機構實現(xiàn)動態(tài)加載的裝置，詳細闡明了該 加載系統(tǒng)的結構設計以及相關的理論校核計算，并對加載系統(tǒng)進行了動態(tài)試驗，通過對 試驗結果分析，確定了加載系統(tǒng)的動態(tài)加載理想?yún)^(qū)域，證明該加載系統(tǒng)的結構設計是合 理的，并驗證了此加載方法的可行性關鍵字:多功能試驗機；加

2、載系統(tǒng);結構設計;校核計算第一章：前言21.1選題的背景與意義 2第二章：多功能力學實驗臺結構設計及校核 72.1 加載系統(tǒng)的結構設計 72.1.1加載系統(tǒng)的功能要求 72.1.2加載系統(tǒng)的主要技術 72.1.3加載系統(tǒng)的總體方案設計 72.1.4 加載系統(tǒng)的傳動機構設計 82.1.5加載系統(tǒng)的校核計算 92.1.6螺桿穩(wěn)定性計算 102.1.7加載系統(tǒng)的試驗應用 11第三章：結論12參考文獻：12致謝13第一章：前言1.1選題的背景與意義材料力學是工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，而材料力學實驗是材料力學課程教 學中一個非常重要的學習環(huán)節(jié)，它能夠檢驗理論正確程度，為解決實際問題提供依據(jù)，也是培

3、養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新能力的重要組成部分。目前,我國理工科類大、專院校材料力學實驗不少，但仍有許多院校還未達到讓每個 學生自己動手去做實驗，其動手能力和解決實際問題的能力還較差 ，不能適應改革開放 的形勢。要改變這種現(xiàn)象，實驗設備的需求就顯得尤為重要，多功能材料力學實驗臺應 運而生。多功能材料力學實驗臺是為材料力學教學實驗開發(fā)的專用設備，針對本科生材料力學應力分析實驗的要求，系統(tǒng)將矩形截面鋼梁、疊梁的彎曲變形、材料的拉伸變形、 薄壁圓筒扭轉變形、彎扭組合變形、壓桿穩(wěn)定、邊界條件對壓桿影響等多種試驗裝置合 為一體,各裝置間相對獨立，使用螺旋手動加載，通過組合更換等不同的試驗方式，改變邊界條件擴展其

4、實驗功能。該設備能滿足教學大綱規(guī)定內容多項材力實驗，整體剛性好, 結構簡單,加載省力，操作方便,工作可靠,適合學生自己動手操作。2,3多功能力學實驗臺設備小巧，操作方便，極大地簡化了十分煩瑣的實驗準備工作和 實驗過程中試件的安裝工作。目前，國內的多功能力學實驗臺已經(jīng)能滿足本科材料力學 實驗教學的大部分要求，但是由于國內學生數(shù)目基數(shù)大，需要實驗次數(shù)多，因此對于多 功能力學實驗設備的可靠性需要進一步加強；另外，隨著工程技術的不斷發(fā)展，需要有 新的實驗項目添加進來，從而保證本科實驗教學與工程實踐相結合，因此其結構功能需 進一步優(yōu)化設計。1.2研究的問題根據(jù)目前國內對于多功能力學實驗臺的研究進展，實驗

5、臺所設計的功能大致可分為：1、純彎曲梁橫截面上正應力的分布規(guī)律實驗；2、電阻應變片靈敏系數(shù)的標定；3、材料彈 性模量E、泊松比卩的測定；4、偏心拉伸實驗；5、彎扭組合受力分析；6懸臂梁試 驗；7、等強度梁試驗；8壓桿穩(wěn)定試驗；9、組合疊梁的實驗。另可根據(jù)需要，利用 該裝置，增設其它實驗。根據(jù)其實驗功能，實驗臺的結構可分為四種基本裝置， 如圖1-1 所示。圖1-1實驗裝置框圖清華大學的王習術等設計的多功能材料力學實驗裝置13,只要改變約束條件、主梁形狀以及材料類型，即可實現(xiàn)主梁任意界面的內應力分布測試。主要包括工作平臺、穩(wěn) 定桿、絲杠、上下移動橫梁、三角支撐架、立柱、水平移動梁、連接滑塊。如圖1

6、-2所示。圖1-2多功能材料力學實驗裝置煙臺大學的吳江龍等設計的多功能材料力學試驗機14，拉、壓采用液壓油缸加載的方式，扭轉采用電動機驅動減速機加載的方式，將拉、壓、彎、扭及彎扭組合等試驗組 合在一臺試驗機上完成。如圖1-3所示。1514圖1-3多功能材料力學試驗機中國礦業(yè)大學的羅洪波等設計的 CLDT-C材料力學多功能實驗臺4,15，其前片框上 橫梁上設兩套（分別作彎扭組合、懸臂梁、等強度梁、彈性模量、偏心拉伸、壓桿穩(wěn)定 等實驗）；后片框上橫梁正中設一套（可作純彎矩、組合疊梁、應變片靈敏系數(shù)標定實 驗），一機多用，節(jié)省場地。如圖1-4所示。圖1-4 CLDT-C材料力學多功能實驗臺張衛(wèi)東設計

7、的材料力學多功能組合實驗臺16，由后側框向上延伸一段的長方形框架 構成實驗臺架，在臺架前側框的上下橫梁之間設置有拉伸及壓桿實驗機構，在臺架后側框的上橫梁上設有純彎曲正應力實驗機構， 在臺架前側框的上橫梁及后側框的中間橫梁 上分別設置有彎扭組合實驗及懸臂梁實驗加載機構、 拉壓實驗加載機構和純彎曲正應力 實驗加載機構。如圖1-5所示。圖1-5材料力學多功能組合實驗臺1-6所示。12b龔健設計的材料力學多功能實驗臺18，有效地克服了實驗臺易變形、測試精度差及 實驗易被破壞的問題。通過底板上兩側設置的蝸輪蝸桿傳動裝置及傳動裝置上的傳感器 來操作實驗，使實驗數(shù)據(jù)精度高，實驗設備不易被破壞等問題。如圖圖1

8、-7多功能材料力學實驗裝置山東省煙臺市固光焊接材料有限責任公司的孫仙山設計的多功能材料力學試驗機 17，采用電驅動減速加載裝置提供全部實驗的加載需求，能將拉伸、壓縮、彎曲、扭轉 及彎扭組合試驗全部在一臺試驗機上完成。如圖1-8所示。圖1-8多功能材料力學試驗機根據(jù)相關文獻的閱讀，筆者總結，多功能力學實驗臺不外乎以下幾種結構組裝而成： 簡支直梁、簡支疊梁、懸臂梁、懸臂圓筒等。加載方式有電機驅動加載、液壓油缸加載 和手動加載三種方式。其中，各種梁的固定方式以及加載方式大致相同。通過分析可得 出以下幾點問題：1、加載力幾乎都沒有設置過載保護裝置（如純彎曲梁橫截面上正應 力的分布規(guī)律實驗中，橫梁容易因

9、過載超過其彈性模量而無法恢復）；2、多數(shù)機構加載力的精度較低；3、結構設計只能滿足基礎實驗要求，對裝置二次開發(fā)難度較大第二章：多功能力學實驗臺結構設計及校核2.1加載系統(tǒng)的結構設計2.1.1加載系統(tǒng)的功能要求此加載系統(tǒng)要求能夠滿足以下功能要求： 可進行靜力加載試驗，驅動電機以一定的轉速傳動，依靠螺紋傳遞加載力； 可滿足在一定范圍內加載試驗，借助滑動導軌兩個方向（橫向和縱向）組合移動到某 位置并固定，完成大尺寸板材在不同位置的加載試驗； 加載系統(tǒng)本身的重量相對于加載壓力很小，可以忽略不計； 加載速度可控，加載試驗過程平穩(wěn)；2.1.2加載系統(tǒng)的主要技術參依據(jù)木材力學性能測試的相關國家標準要求202

10、2，制定了加載系統(tǒng)的主要技術參 數(shù)如表1，對加載系統(tǒng)的總體方案進行了設計表2-1多功能試驗機加載系統(tǒng)的主要技術參數(shù)承重取大載何/N4.9X 104加載范圍（橫向x縱向）/mm1024X 1220加載速度（可控）/mm/s120壓頭最大跨距/mm320加載方式連續(xù)加載2.1.3加載系統(tǒng)的總體方案設計加載系統(tǒng)總體結構（如圖1所示）設計的主要依據(jù)是試驗機的多功能要求。該加載系統(tǒng)的機械結構主要由施載電機、減速器、電機機座、滑動導軌、壓頭組合、鎖 緊螺母、壓力傳感器、移動臺組合塊、連接螺栓、移動臺、傳動螺母、傳動螺桿、支撐 座和無齒隙彈性聯(lián)軸器等組成。加載系統(tǒng)的主要動力來自施載電機，它通過行星齒輪減速器

11、與無齒隙 彈性聯(lián)軸器的連接將力矩傳給傳動螺桿， 再由傳動螺桿-無齒隙彈性聯(lián)軸器和傳動螺桿- 傳動螺母轉動組合，將電機轉動力矩轉化為移動臺的平移壓力， 就形成了一定的功率流， 以此來模仿加載系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。在整個加載試驗過程中，加載系統(tǒng)的各個方向移 動范圍都由接近開關及時反饋信號控制，加載力的大小由壓力傳感器直接反饋到計算 機上，以此保證加載位置及其數(shù)值的準確度。多功能試驗機中被測壓頭傳遞的力矩即負 載是要靠加載系統(tǒng)機械結構組裝形成，其性能直接影響試驗機的主要技術指標。這就要求試驗機的加載系統(tǒng)不僅要具有結構緊湊、施載運動行程無死角和施載力矩穩(wěn)定等特 點，同時還應具有在運轉中能自由改變施載力矩

12、的大小和方向2022。2.1.4加載系統(tǒng)的傳動機構設計加載系統(tǒng)的傳動機構采用螺旋傳動（如圖 2所示），這種傳動方式主要將回轉運動轉化 為直線運動，同時傳遞運動和動力。在加載系統(tǒng)的螺旋傳動機構中采用梯形螺紋傳動。 梯形螺紋可以在傳動過程中修復和補償螺紋之間由于摩擦而造成的間隙，制造的工藝性也較好，牙根強度高，對中性好，可滿足大力矩、低轉速的傳動要求23。根據(jù)最大承載力和電機轉矩的要求，加載系統(tǒng)中的減速器選用兩級減速，其傳動比為20:1，即在施載端（電機端）施加一個很小的轉矩，減速器內便會產(chǎn)生很大的封閉力矩，保證整個工 作過程持續(xù)提供足夠大的加載力241.施載電機；2.減速器；3.電機機座；4.導

13、軌滑塊；5.滑動導軌；6.壓頭座;7.壓頭組合；8.鎖緊螺母；9.壓力傳感器；10.移動臺組合塊；11.連接螺栓;12.移動臺；13.傳動螺母；14.傳動螺桿；15.支撐座；16.無齒隙彈性聯(lián)軸器 圖1加載系統(tǒng)的總體結構圖1.底座；2傳動螺桿；3.壓力裝置圖2螺旋傳動機構簡圖2.1.5加載系統(tǒng)的校核計算螺旋傳動機構是加載系統(tǒng)的關鍵動力傳遞機構。在傳遞大力矩過程中，主要承受轉矩及 軸向壓力，同時在螺桿和螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動，很容易造成螺紋磨損、 傳動不夠穩(wěn)定而失效。因而有必要對螺旋傳動的設計進行校核計算。2.1耐磨性校核計算工作過程，螺紋傳動工作面的耐磨條件為：p=F/A=F/ n

14、d2hu=FP/n dzhFK p(2-1)式中：p 螺紋工作面上的壓力，單位為MpaA 螺紋的承壓面積(螺紋工作面投影到垂直于軸向力的平面上的面積)，單位為mm2F 螺桿的軸向力，單位為N;d2 螺紋中徑，單位為mmh 螺紋工作高度，單位為mmH 螺母高度，單位為mmP 螺紋螺距，單位為mmu 螺紋工作圈數(shù)；其中，u=H/Pp材料的許用應力，依據(jù)材料和滑動速度要求，取p=i8，單位為MPa對于梯形螺紋：h=0.5P (2-2) H = d2(2-3)其中，為計算系數(shù)，螺紋工作圈數(shù)不多時， =1.22.5，此時取1.2 ;聯(lián)立式(2-1 )、( 2-2 )、( 2-3)有：d20.8(F/ p

15、) ?=0.8(4.9 X 10人)/1.2*18 ? 38.1mm (2-4)因為d2=38.1mmcd* (其中d2為根據(jù)減速器配合軸徑以及整個傳動機構尺寸初步設計的尺寸)=46.5mm所以，該螺旋傳動機構傳動滿足螺紋傳動耐磨性條件2.1.6螺桿穩(wěn)定性計算在加載系統(tǒng)的傳動機構中，螺桿的柔度：入 2=卩 l/i (2-5)l=(l/A) ?=d1/4 (2-6)式中：卩一螺桿卩的長度系數(shù)；l 螺桿的工作長度，單位為mmi 螺桿危險截面的慣性半徑，單位為 mmI 螺桿危險截面的慣性矩，單位為 mm4 d1 螺桿螺紋小徑，單位為mmA 螺桿螺紋段的危險截面面積,A= n *d12單位為mm2 聯(lián)

16、立式(2-5)、( 2-6)有：入=93.740 (2-7)從結果看，螺桿的柔度較大，即長徑比大， 所以螺桿很容易發(fā)生側向彎曲失其穩(wěn)定性。 螺桿穩(wěn)定運行條件：SSc=Fcr/F SS(2-8)式中：SSc 螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)； Fcr 螺桿的臨界載荷，單位為N；SS 螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，Ss=3.55.0 ;Fcr= n 2EI/(卩 l) 2 (2-9)式中：E 螺桿材料的拉壓彈性模量，E=2.06X 105MPa 單位為 MPaA 4I= n d1/64(2-10)聯(lián)立式(2-9)、( 2-10)有：SSc=7.34 Ss=5.0從結果看，螺桿傳動過程相對較穩(wěn)定。2.1.7加載系統(tǒng)的

17、試驗應用加載系統(tǒng)能實現(xiàn)動態(tài)施載，作為一種檢測試驗機，為保證加載系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和數(shù)值的準確性，需進行測試試驗，測試試驗如圖 3所示。此類加載系統(tǒng)通過在型號產(chǎn)品研制過程中的應用，已經(jīng)在測 試試驗中的到了驗證。通過測試試驗得到的結果與傳統(tǒng)的力學試驗機加載試驗結果對比如表2所示?？梢钥闯霾捎迷O計的隨動加載系統(tǒng)得到的壓力和傳統(tǒng)的固定加載系統(tǒng)壓力水平相當，在結構用木材位移變化為6mn0寸，誤差最大為5.56%，隨著木材位移的變大，壓力值都在變大，二者之間的誤差變小，都在設計允許范圍之內，達到運行穩(wěn)定性和數(shù)值準確性的要求。另外，通過分析和測試數(shù)據(jù)可 知，隨動加載系統(tǒng)在加載前一階段（位移變化為8mr之前），

18、降低加載速度，減少了加載引起的附加彎矩，提高傳遞壓力，以減少相對誤差，可以進一步提高多功能試驗機的檢測精度。圖3加載系統(tǒng)測試試驗表2-2多功能試驗機與力學試驗機試驗結果對比名稱對同一種結構用木材加載試驗在不同位移時對應壓力值比較（跨距為 1200mm）位移 /mm6.00 8.00 10.00 12.00 15.00力學實驗機 /N 10.80 14.25 170.50 218.00 265.30多功能試驗機 /N 10.20 13.98 171.05 218.50 266.00誤差 /%5.56 1.90 0.30 0.280.26第三章：結論本文對結構用木材多功能試驗機的加載系統(tǒng)進行了研究

19、，并設計和分析了加載系統(tǒng)的結構和運行性能試驗，得出以下幾點結論：(1 )采用本文所研究的加載系統(tǒng)結構緊湊，無距離限制，所組成的結構用木材多功能試 驗機施力均勻平穩(wěn)，運行穩(wěn)定性高，振動??；(2 )突破了傳統(tǒng)力學實驗機固定加載模式，該加載系統(tǒng)設計成可移動式加載模式，消除 了被測件尺寸的限制，擴大了檢測范圍，并已在型號產(chǎn)品中得到了成功應用，具有重大 的現(xiàn)實意義；(3 )采用該加載系統(tǒng)，使結構用木材力學性能試驗狀態(tài)與實際使用情況相吻合，試驗數(shù) 據(jù)更加真實，為結構用木材力學性能檢測提供更科學準確的依據(jù)；參考文獻:1 李鐘浩.材料力學實驗教學改革的實踐與探討.中國校外教育.2010.8.2 李 偉.多功能

20、材料力學實驗系統(tǒng)的設計.實驗科學與技術.2007.02.3 謝占魁.電子式材料力學組合試驗臺的研制與應用.實驗技術與管 理.2005.01.4 魏忠才.CLDT-C材料力學多功能實驗臺的研制與應用.實驗室研究與探索.2008.04. 卓 勉.直梁純彎曲實驗裝置的改進.廣州城市職業(yè)學院學報.2008.03.6 郭玉霞.淺談材料力學電測實驗的改進.河北工程技術高等?？茖W校學報.2000.02.7 湯繁華.疊梁純彎曲正應力的理論與實驗分析.實驗科學與技術.2010.10.8 魯書濃.疊合梁實驗課程的探討.實驗室研究與探索.2007.03.9 孫建國.疊梁的分析與實驗.力學與實踐.2004.04.10

21、 王 瑩.實驗與材料力學課程教學結合問題探討.洛陽理工學院學報.2011.09.11 蔡傳國.工程力學實驗教學的自主性設計.實驗科學與技術.2011.12.12 趙 軍.小曲率平面彎曲彈復方程.中國科學.2011.10.13 王習術.多功能材料力學實驗裝置.CN801218433.0.2002.01.16.14 吳江龍.多功能材料力學試驗機.CN03144008.8.2005.01.26.15 羅洪波.材料力學多功能實驗臺.CN97207386.8.1998.07.1516 張衛(wèi)東.材料力學多功能組合實驗臺.CN200520023972.9.2006.05.1317 孫仙山.多功能材料力學試驗機.CN200520200361.7.2007.02.28.18 龔健.材料力學多功能實驗臺.CN20092009272332010.05.12.19 劉榮慶.多功能材料力學實驗裝置.CN201020613430.8.2011.06.01.20 LY/T1927-2010,集成材理化性能試驗方法S.21 GB/T 28993-2012,結構用鋸材力學性能測試方法S.22 ASME.E4761 - 05 Standard Test