一种新型六自由度力学加载系统

    0　引言

    在现代的机械装备、航空航天、土木建筑、复杂结构、管道与压力容器等工程装备与工程结构领域中的大部分失效是材料结构的失效,所以材料结构强度试验是一个不可缺少的重要环节。近年来,在设计中采用了大量的新结构形式、新材料和新工艺,如图1。为了验证这些技术是否满足安全可靠的要求,就需要进行材料结构的静力、疲劳和耐久性等强度试验,因此这些试验就显得更加重要,所要进行的试验的技术要求也愈来愈高。在航空航天和各种工程装备中的主要零部件所承受的载荷都不外乎是拉、压、弯、扭、剪或其组合,但以前只考虑其中的几个边界条件,现在要考虑更多甚至是全部的边界条件。比如,上升过程中的火箭或飞行中的导弹都会受到多个自由度的载荷[1]。再在日常生活中,有些桥墩设计时往往满足了使用条件,但还是损坏断裂了,而且破坏出的裂纹形状与普通裂纹不同,这就是在设计时只考虑了少数几个重要的载荷方向,没有考虑到多自由度载荷对桥墩的影响。因此就需要一种能满足上述要求的试验系统,以便更为真实地模拟材料结构的受力情况。本文就此目的研制了一套六自由度边界加载试验系统,是针对材料结构强度、疲劳和可靠性方面的研究,能够模拟真实的载荷环境,实现材料结构在空间六自由度方向的载荷加载,可以进行大尺寸结构的实时力载荷实验、拟动力实验。本加载实验系统与Stewart机构[2-3]相似,但比Stewart机构更有针对性,是一种新型的六自由度机构,更好、更准确地模拟出材料结构在真正的环境中所承受的载荷。这样使材料结构方面的试验更为准确,为材料结构的疲劳和可靠性提供了更为真实的实验数据,对研究重大工程材料结构的安全问题提供科学手段,具有重要的科学价值和广泛的工程应用背景。

     1　系统的组成与工作原理

     1·1　工作原理

    所谓六自由度即分别沿X,Y,Z轴移动和分别绕X,Y,Z转动的六个自由度。六自由度加载装置由8个作动器组成[4-5]。垂直方向4个,水平方向4个,一端固定在剪力墙或强力地板上,另一端固定在十字架上,这个十字架是一个加载平台,把试件分别固定在十字架中心和强力地板上,当各个作动器协调加载时带动十字架运动,能同时实现三个移动和三个转动的加载,从而实现六自由度同时加载。

    8个作动器可同时作用,同时实现拉、压、弯、扭、剪或其组合等不同形式的载荷加载,在六个自由度方向上都可以实现位移和力的控制,也可在剪力墙上添加其它作动器直接作用到试件上以实现更为复杂的加载。六自由度加载装置对梁试件进行试验时,试件的一端连接在六自由度加载装置的运动平台上,另一端连接在强力地板上,如图2所示。