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1、双轴向拉伸试验机设计Xxx院 （系）：机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学号： 指导教师：xxx 教授2015年7月毕业设计（论文） 题 目双轴向拉伸试验机专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要在实际工程应用中，很多工程材料具有明显的各向异性而且工程材料在很多情况下都处于很复杂的应力状态。在研发工程材料过程中测试工程材料的性能时，实验室中的单轴拉伸测试不能完全反映工程材料在实际工程应用中可能达到的真实应力状态。因此要反映出工程材料的真实应力状态，准确评估工程材料的力学性能，只能对工程材料进行双向和多向加
2、载试验。双轴向拉伸试验机被广泛应用于研究和测试材料的各向同性和各向异性。在运动学与动力学分析的基础上，笔者设计了基于液压驱动的双轴向拉伸试验机的液压部分和机械结构，在AME-Sim-Simulink环境下进行了联合仿真分析。仿真结果表明该试验机能够完成x轴，y轴的单独加载也能完成x轴，y轴的同步加载并得到两轴向的应力应变曲线，具有较好的准确性和可靠性。关键词：双轴向拉伸试验机；十字形试件；应力应变曲线；阀控对称液压缸VAbstractMany construction materials have obvious anisotropy, in practical engineering app
3、lications, engineering materials are mostly in very complex stress state. In the course of research and development of engineering materials when performance testing of engineering materials, traditional uniaxial tensile testing may not fully reflect the true level of stress that may be achieved in
4、engineering applications. Only through doing bidirectional and multidirectional load test to engineering materials can reflect the true state of the construction material damage and have an accurate assessment of the mechanical properties of engineering materials.Biaxial tensile testing system is wi
5、dely used in research and testing of isotropy and anisotropy of materials. On the basis of kinematic and dynamic analysis, the author designed the systems hydraulic part and mechanical structures and solve the two axial force loading synchronization problems and conduct a joint simulation in the AME
6、-Sim-Simulink environment .The simulation results show that the system not only can complete x-axis, y-axis load alone but also can complete x-axis, y-axis synchronous load and get the stress-strain curve of two axes.It has good accuracy and reliability.Keywords: Biaxial tensile testing system,Cruci
7、form specimen,stress-strain curve,Valve controlled symmetrical hydraulic cylinder目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论- 1 -1.1 课题背景及研究的目的和意义- 1 -1.2 国内外研究现状及分析- 2 -1.2.1 双轴向测试研究方法- 2 -1.2.2 双轴向力学性能测试设备- 4 -1.3 本文的主要研究内容- 5 -第2章 总体方案设计- 6 -2.1 技术指标- 6 -2.1.1 功能- 6 -2.1.2 主要技术参数- 6 -2.2 系统组成及原理- 7 -2.2.1 系统组成- 7 -2
8、.2.2 工作原理- 8 -2.3 双轴向拉伸试验机液压系统- 9 -2.3.1 驱动系统- 9 -2.3.2 液压泵站- 11 -2.4 双轴向拉伸试验机机械系统- 11 -2.5 控制系统配置、组成及功能- 12 -2.5.1 监控单元- 13 -2.5.2 伺服控制柜- 13 -第3章 伺服液压缸设计- 15 -3.1 缸筒和缸盖设计- 15 -3.1.1 缸筒主要技术要求- 15 -3.1.2 缸筒与缸盖材料- 15 -3.1.3 连接形式- 16 -3.1.4 缸筒壁厚计算- 16 -3.1.5 缸筒壁厚的验算- 17 -3.2 活塞和活塞杆设计- 19 -3.2.1 活塞设计- 1
9、9 -3.2.2 活塞杆设计- 21 -3.3 拉杆设计- 23 -3.4 缓冲设计- 24 -3.5 管路设计- 25 -3.6 伺服阀选型- 25 -3.7 本章小结- 26 -第4章 液压泵站与机械系统设计- 27 -4.1液压泵- 28 -4.1.1 液压泵的工作压力和输出流量- 28 -4.1.2 液压泵的驱动功率- 28 -4.2 油箱- 28 -4.3 管路- 29 -4.4 液压泵站元件选型- 29 -4.4.1 液压泵- 29 -4.4.2 电动机- 30 -4.4.3 液压辅件- 31 -4.4.4 液压阀- 33 -4.5 机械系统设计- 33 -4.6 本章小结- 36
10、 -第5章 双轴向拉伸试验机数学模型与仿真分析- 37 -5.1 建立模型- 37 -5.1.1 简化模型- 37 -5.1.2 模型动力机构基本方程- 37 -5.1.3 模型传递函数- 42 -5.2 联合仿真- 45 -5.2.1 仿真目的- 45 -5.2.2 仿真方案- 45 -5.2.3 仿真步骤- 46 -5.2.4 仿真结果- 48 -5.3 本章小结- 50 -结 论- 51 -参考文献- 52 -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明- 54 -致 谢- 55 -第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义在实际工程应用中，材料大多处于复杂应力状态，如在板料成形过程
11、中，由于几何边界条件和摩擦条件等因素的影响，加载路径通常偏离线性路径。在面内双向应力状态下、由拉应力的作用、沿不同的加载应变路径而成形是板料成形的一大变形特点。可见，正确地描述不同加载路径下材料塑性变形力学行为十分重要，它对于准确地解析材料在工程应用中的变形过程，建立合理的材料塑性变形力学模型，以及丰富与发展材料理论等方面具有十分重要的意义。各向异性材料的基础性质研究一直是材料界、力学界致力研究的重要课题。但传统的实验室单轴拉伸测试并不能彻底反映其可能达到的真实应力状态。与此同时，随着新型材料以及工业的发展，对于纺织品，布匹，塑料，橡胶，纸张，薄膜等高分子材料的各向同性或者各向异性需要深入研究
12、和测试，只有通过对材料进行双向和多向加载试验，才能真正完全反映材料的真实应力状态，正确地评估材料的力学性能。在测试材料各向异性的众多测试方法中，十字形试件双向拉伸试验法最能直接反映复合材料的双向受力状态也最直观，是目前备受推崇的一种试验方法。进行十字形试件双向拉伸的双轴向拉伸材料试验机（biaxial tensile testing system）按照驱动装置的位置不同可以分为垂直拉伸试验机，双向拉伸试验机，十字交叉试验机，按照样品中心点的是否处于原位状态，可以分为平行双向原位拉伸力学试验机，平行双向拉伸力学试验机。平行双向拉伸力学试验机（垂直，材料试验机，十字拉伸，多轴，三轴，双向，动静态试
13、验机），主要应用于医疗器械、金属、纺织品、橡胶材料、生物组织、塑料薄膜、复合材料的研究，小力值的平行双向原位拉伸力学试验机主要应用于生物组织如人工椎间盘、人工心脏瓣膜、人工韧带、人工角膜、人工巩膜、人工皮肤、人工肌腱、人工软组织、人造血管、人工纤维环等四个方向同时拉伸的动静态拉伸的测试，是当前多轴测试的最优测试方法。双轴向或多轴向拉伸试验机，目前应用于各种行业，如汽车，航空航天，塑料，橡胶，生物材料，金属等行业。1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 双轴向测试研究方法对于各向异性和处于复杂应力状态的材料，研究其双向加载下的应力应变状态是研究材料性能的重点。目前，对材料进行双向加载试验主要有以
14、下几种方法。（1）薄膜凸胀双向拉伸试验法1早在 20世纪60年代，CA KypKuH等人就采用此法进行薄膜材料的双向拉伸。它是在爆破膜的实验装置上，利用液压将薄膜充至凸胀，凸胀顶点为双向1：1应力状态，但该方法只适用于薄膜构件，不适用一般板材。（2）压力容器双向拉伸试验法 这是一种比较常见的方法，因为内压壳体是典型的双向拉伸结构，筒壳的双向应力状态是2:1，球壳的双向应力可以认为是1:1。（3）十字夹层梁试验法2 在该方法中，试件的梁臂按四点方式受弯而产生拉伸或压缩应力，使试件的中心区域处于双向受力状态，该方法的缺点是易在中心交角处产生脱粘和应力集中而提前被破坏。（4）十字形试件双向拉伸试验法3-5 十字形试件双向拉伸试验法是现阶段最能直接反映各向异性材料的双向受力状态也最直观，是目前备受推崇的一种试验方法。在各向异性材料研究的方法中，对十字形试件进行双向拉伸试验是目前研究的主要方向 6。 对十字形试件进行双向拉伸，可以通过改变两轴的位移比或载荷比，使中心区域处于不同的应力状态。 该方案早在 20 世纪 60 年代就已经提出，但直到最近几年才取得了一定的成果，并得到应用7-8。十字形试件的设计与制备一直是限制十字形试件拉伸试验应用的难题。在应用中必须要解决如下问题：最大变形应出现在
