电液伺服材料试验机的动力学响应特性研究

电液伺服材料试验机是材料静态力学性能测试中常用的设备。其测试数据的可靠性和试验机本身的结构响应特性关系密切。已有文献对影响测试数据可靠性的因素进行了研究[1, 2]。但以前多集中在静力学结构分析,对结构的动力学相应特性研究较少。虽然此类材料试验机一般用于材料静态力学性能测试,但在测试过程中,往往会遇到动态信号搀杂在其中,例如试样的局部损伤,影响对测试数据的解读。本文从试验机测试原理入手,以岩石压缩实验为例,分析了电液伺服材料试验机在遇到动态力学信号时的响应特性,从而有助于更加正确解读实验数据。

1　试验机测试原理

任何一台试验机都由驱动部分、位移计量、载荷计量、机架和夹具这四部分组成[3]。MTS810电液伺服材料试验机采用液压驱动作用轴运动,通过作用轴的位移而实现对试样的加载。作用轴位移通过电感式位移传感器LVDT( linear variable displacement transducer)测量,载荷通过应变式载荷传感器测量。其结构简图如图1所示。

这种驱动方式决定了这类试验机的基本控制方式是位移控制。载荷控制或应变控制则是通过测量载荷传感器或引伸计的信号,经伺服反馈系统来控制作用轴位移间接实现。虽然目前伺服反馈系统的频响特性可以做到很高,但是受作用轴、夹具等惯性质量的影响,试验机真正的频响能力要远低于理论值。这导致试验机在测量变化较快的力学信号时,往往会将本身的结构响应特性强加于试样力学性能之上,影响对实验数据的解读。

2　岩石压缩实验

本文以岩石压缩实验为例,对MTS810电液伺服材料试验机的动力学响应过程进行分析。试样为花岗岩,截面积16 mm×20 mm,高度40 mm。首先采用位移控制(即LVDT控制)方式进行测试。数据采样时间间隔为0·2 s。为回避机架变形对岩石变形测量的影响,采用应变式位移传感器COD (Crack OpenDisplacement)对上下压盘之间的位移进行直接测量,并认为其测量值即为岩石变形量,如图2所示。

为对比试验机的响应特性,本文还特意采用载荷控制对岩石进行了压缩测试,采用同样的采样率采集数据。

3　动力学响应过程

3·1　位移控制

在岩石破坏时刻,试验机由静态平衡状态转变为动态非平衡过程,结构的动力学响应将明显表现出来,如图3所示。图中载荷-时间关系曲线上A~B,载荷在0·2 s之内由57 kN降为0,一般认为A时刻是岩石的破坏点。对应LVDT-时间关系曲线的D-E,位移值在0·2 s之内增加了54μm。

需要注意的是:在D点(岩石破坏时刻)之前0·8 s的C点开始,LVDT已经偏离了原线性轨迹。C~D之间,LVDT增加了19μm,对应的载荷在A点之前0·8 s之内下降了0·727 kN,但图中由于比例所限几乎看不出。这说明早在A点之前0·8 s岩石就已经发生了局部损伤,导致载荷略有下降。这一过程称为损伤演化。当然如果采样率足够高,这一过程将观察的更为明显。在E点之后,即岩石破坏后,由于作用轴和压盘等惯性质量较大(约30 kg),在突然失去平衡的情况下,作用轴等惯性质量将出现过冲,表现为LVDT在0·4 s内继续增加约35μm。此后伺服反馈系统的调节作用才开始显现,试图将LVDT位移值“拉”回正常轨道。由于PID(比例-积分-微分)电路的作用,此调节过程表现为一种振荡。观察表明经过3~5个周期才能基本回复到原行驶轨迹。从试样突然破坏到作用轴恢复正常运行约需5 s。当然这一过程的长短和试验机的PID参数设置有一定关系。