CN105659833B - 实物结构件六维力学性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实物结构件六维力学性能测试测试装置及其测试方法，将并联运动结构应用于结构件力学性能测试，以解决现有技术中的不足。该装置包括它包括以下组成部分：控制系统，采样系统，并联加载机构。根据所测力实物结构件的实际形状构造，可采用多个实物结构件六维力学性能测试装置，配合使用。测试方法的主要特征在于按照加载位移的时间函数进行多维力加载，分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考。通过本发明的技术方案可得到更加准确的应力应变分布数据、更加准确的危险部位位置和更加真实的破坏形式。对于武器结构的优化、轻量化、安全可靠性的精确设计具有重要意义。<pb pnum="1" />

Description

实物结构件六维力学性能测试装置及测试方法

(一)技术领域

本发明涉及一种对实物结构件六维力学性能测试装置及测试方法，属于力学实验技术领域。

(二)背景技术

造成武器运行故障的重要原因之一是机械故障。零部件的强度破坏是引起机械故障的主要因素。现有零件强度设计的主要依据是材料的力学性能，材料的力学性能数据是将同种材料制成标准试样，经过对试样的力学实验取得。标准力学性能实验中的加载形式基本是单纯的拉压、弯曲或扭转等方式。

但实际结构件的截面尺寸和结构形式与标准试样相差很大，由于热处理淬透性和结构尺寸效应等影响，使得实际结构件的材料性能与同材料的标准实样之间存在一定差异。同时结构件在工作中的实际受力情况往往是多维力的组合，如弯扭组合、拉扭组合等，而不是单纯的拉压、弯曲等，标准试样和实际结构件之间受力状况的差异也使得强度设计产生一定误差。在一般产品设计中总是采用加大安全系数的方法使得零件的工作应力远离极限条件，以应对上述设计误差，避免结构破坏。

武器装备严酷的工作环境和结构轻量化的要求，使得武器零件经常工作在极限载荷下，由于上述实际结构件和标准试样之间的材质差异和载荷状况差异，造成强度设计不准确，从而使结构件的一些部位由于强度不足而出现破坏；而另一些部位强度裕量过大而增加了零件重量。如何在尽可能符合实际受力环境下对实际结构件施加多维力测试，得到更加准确的应力应变分布数据、更加准确的危险部位位置和更加真实的破坏形式，对于武器结构的优化、轻量化、安全可靠性设计具有重要意义。本发明提出的并联加载机构即可以对被测结构件施加六维载荷(三维力和三维力矩)，更真实的模拟结构件在工作状态下的受力状况，更准确的测定结构件的承载能力。

并联机构曾于60年代用于飞行模拟器，70年代用于机器人手臂。在1993年至1994年间，美国、瑞士、俄罗斯先后推出了最初的并联机床产品。在1996年至1998年间又先后有十几家公司和大学展出了各自研制的并联机床，并呈现出多样化的趋势。除六杆六自由度结构外，出现了多种少自由度结构、串并联混合结构等。当前，并联机构在数控机床、装配机器人等领域中得到一定程度的应用。并联运动机构在切削机床上的成功应用证明该机构有足够的承载能力、运动自由度和定位精度，完全可以满足结构件力学性能测试的要求。当前的新型材料实验机已广泛以伺服电机驱动代替液压驱动，以获得更高的位置伺服精度，所以将并联运动结构应用于结构件力学性能测试的构想具有充分的依据和可行性。

(三)发明内容

本发明的目的是提出一种实物结构件六维力学性能测试测试装置及其测试方法，将并联运动结构应用于结构件力学性能测试，以解决现有技术中的不足，以更真实的模拟结构件在工作状态下的受力状况，更准确的测定结构件的承载能力。

本发明一种实物结构件六维力学性能测试装置，它包括以下组成部分：

1.控制系统，包括：

1)加载运动控制器：包括控制计算机和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡插在控制计算机的I/O扩展槽中，在控制计算机的控制下向各运动轴(本发明技术方案中的运动轴称为并联连杆)发出运动控制指令；

其中，控制计算机可选用486以上工控机。

其中，多轴运动控制控制卡可选用6轴以上控制卡。

2)加载运动编程控制系统：即安装在控制计算机上的软件系统，包括编程系统软件和控制系统软件。所述编程系统软件的包括载荷-位移转换模块，笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块和编程界面。

载荷-位移转换模块用于根据结构件的载荷分布，通过有限元方法计算相应的变形位移；

笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块用于计算机构反解，即将笛卡儿坐标系中的变形位移转换为各连杆的位移；

编程界面中输入载荷的空间、时间分布，加载点位置，极限位移等信息；

控制系统软件是控制计算机上安装的与多轴运动控制卡相配套的系统软件，而编程系统软件是安装在控制系统软件之上的应用支撑软件。

3)加载运动伺服系统：包括伺服电源，伺服主机和位移传感器及其向控制系统的反馈电路。所述的伺服主机可采用伺服电机或伺服油缸；对于小载荷、高精度加载机构，伺服主机优先采用伺服电机，其中又以交流伺服电机为佳；对于大载荷、低精度加载机构，伺服主机优先采用伺服油缸；可以直接利用伺服电机尾部自带的旋转编码器作为伸缩杆位移传感器；以液压油缸为伺服主机的伸缩杆，每个伸缩杆上设置一个直线位移传感器。位移传感器分辨率不大于最大加载位移的5‰。

位移传感器可采用光栅、容栅、磁栅或电感式位移传感器；反馈电路按购买的伺服系统要求连接。

4)力传感器：六维力传感器，测量三向力和三向力矩，并向加载运动控制器和采样系统反馈力传感器信号。六维力传感器可选用压电式或者应变式，当载荷是频率较高的动载荷时优先选用压电式传感器；当载荷是静载荷或变化较慢的载荷时，优先选用应变式传感器。

加载运动编程控制系统是安装在控制计算机上的软件系统，其功能是根据加载所需的载荷计算加载位移，所得位移是笛卡尔坐标系中的位移，经过坐标转换，变成实轴坐标位移量；加载运动控制器与加载运动伺服系统相连，实轴坐标位移量经控制计算机及多轴运动控制卡向加载运动伺服系统发出指令，使伺服主机产生给定运动；力传感器安装在加载平台上检测实际加载效果，并向控制计算机反馈，进行调节。力传感器上又根据不同结构件安装有专用工装，用于向结构件施予加载力，同时记录加载力大小。

2.采样系统，包括：

1)采样计算机：包括数据存储、处理、显示等功能；

2)采样板卡：包括多通道力信号的采集、A/D转换等功能，可选用12位以上的信号采集卡，通道数要满足采集通道要求；

3)应变片：贴在结构件的关键位置上，将应变信号传输给采样板卡，监测这些位置的实际应变和应力。

4)位移计算模块：根据连杆的实际位移，通过并联机构正解计算，获得实际加载位移。

采样系统用以采集力信号和位移信号，进行变换、存储、处理，生成曲线、数表等表达方式，并根据设定位移显示加载过程中力和位移的关系。其中采样板卡安装在采样计算机上，采集控制系统的力传感器发出的力传感器信号；同时采样计算机上还安装有位移计算软件模块，用以将连杆的实际位移换算成加载平台的笛卡尔坐标加载位移，实现加载位移的间接采集。

3.并联加载机构，包括：

1)并联连杆：可采用以电机为伺服主机的连杆或以液压油缸为伺服主机的连杆

2)加载平台：设有球铰座，六维力传感器和专用工装。每两个连杆共用一个球铰，三个球铰座在加载平台上呈间隔120°分布，六维力传感器安装在加载平台中部，六维力传感器上安装测试件的专用工装；

3)基础平台：包括六个虎克铰座和与地面固定的底座。底座也可通过金属结构连接装置与地面固定，以调整底座方向。六个虎克铰分布在一个圆上，形成不等边六边形。在结构允许的情况下，长边短边相差尽量大。

基础平台和加载平台由六根并联连杆连接，每根并联连杆球铰一端与加载平台通过球铰座连接，虎克铰一端与基础平台通过虎克铰座连接，形成6-UPS机构(即6个虎克铰-移动副-球铰组成的运动链机构)。

其工作原理是：每根并联连杆通过电机-丝杠驱动或者液压缸驱动产生伸缩运动，六根并联连杆的运动组合使得加载平台产生六自由度的加载运动，可以对被测结构件施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根并联连杆的运动由计算机控制，可以根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。

根据所测力实物结构件的实际形状构造，可采用多个实物结构件六维力学性能测试装置，配合使用。当采用多台加载机构时，应采用上下位机的控制方式。下位机即为各台加载机构的控制计算机，而上位机用于协调多台下位机的工作。上位机根据整个构件的载荷状况指挥各下位机进行指定方位、大小的加载，并保持各下位机按统一的节拍工作。

本发明提出一种实物结构件六维力学性能测试方法，它包括以下步骤：

①分析结构件在实际工作中的受力状况和建立结构件的时变载荷谱；

分析确定结构件在工作中的受力状况，包括集中载荷作用点及方向，分布载荷的分布规律，结构件的约束情况，以及上述两类载荷状况随时间的变化规律，根据载荷的空间、时间分布规律；

②求出结构件应力应变分布及其时间函数；

根据结构件的载荷谱：F＝F(x，y，z，t)，即载荷F与载荷作用点x，y，z和时间t之间的函数关系，采用有限元方法计算出结结构件的应力、应变在结构件中的分布，求得这种分布状况随时间的变化规律：σ＝σ(x，y，z，t)，ε＝ε(x，y，z，t)，即应力σ和应变ε的空间位置x，y，z分布与时间t之间的函数关系。

③采用有限元仿真技术确定步骤②中这种应力状态下的加载点位移及其时间函数；

根据上一步求出的应力应变分布及其时间函数σ＝σ(x，y，z，t)，ε＝ε(x，y，z，t)，在有限元仿真环境下，采用单点或少点集中力给结构件加载(加载载荷可以是多维力载荷)，产生与工作状态尽量相似的应力应变分布及其随时间的变化，确定加载点位置、载荷大小及方向、产生的位移大小及方向，以及加载位移的时间函数δ＝δ(x，y，z，t)。

④按照加载位移的时间函数进行多维力加载，

根据加载位移的时间函数，确定加载平台运动要求，由控制计算机根据加载平台的运动求解并联机构反解，得出每根并联连杆的运动形式，加载运动伺服系统产生加载运动。

控制系统采用力传感器信号和位移信号的双重反馈对并联加载机构进行控制，系统控制框图见图5a。加载平台上安装六维力传感器，六维力传感器上安装测试件的夹具。加载平台通过六维力传感器向测试件加载，力传感器实时监测载荷，并向控制系统反馈；位移传感器测量并联连杆位移，向控制计算机进行位置反馈。

控制系统根据所算出的一系列杆长，控制各杆产生相应位移，使加载平台实现加载运动。

⑤分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考；

进行多维力加载的同时，采用粘贴应变片等措施在结构件关键位置监测应力应变，采样系统采集应力应变值，与载荷谱的理论值对比；分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考。

⑥在有必要的情况下，加大载荷值，进行破坏性实验，考查结构件的破坏形式和危险截面；

⑦分析实验值与理论值的误差，根据误差大小决定是否需要修改参数再次实验。

本发明涉及一种实物结构件六维力学性能测试方法及其装置，采用并联加载机构对被测结构件施加三维力和三维力矩，其优点在于：在尽可能符合实际受力环境下对结构件施加多维力测试，得到更加准确的应力应变分布数据、更加准确的危险部位位置和更加真实的破坏形式，从而更真实的模拟结构件在工作状态下的受力状况，更准确的测定结构件的承载能力。对于武器结构的优化、轻量化、安全可靠性的精确设计具有重要意义。

(四)附图说明

图1为本发明的测试装置中控制系统框图；

图2为本发明的测试装置中采样系统框图；

图3为本发明的测试装置中并联加载机构结构图；

图4a采用伺服电机的连杆结构图；

图4b采用伺服油缸的连杆结构图；

图5a为本发明的测试装置中控制系统框图；

图5b为本发明测试装置的加载运动编程控制系统框图；

图6所示为本发明的测试装置中并联机构坐标系示意图；

图7单个加载机构对起落架零件进行加载实验示意图

图8二个加载机构对飞机加强框进行加载实验示意图

图9二个加载机构对机翼部装件进行加载实验示意图

图10a均布载荷q产生的弯矩M示意图

图10b集中载荷F₁和F₂分别产生的弯矩M₁和M₂以及叠加后的弯矩M’示意图

图11多点加载上位机和下位机工作示意图

图中具体标号说明如下：

1、并联连杆11、球铰12、滑动杆

13、丝杠14、螺母15、固定杆

16、联轴器17、电机18、虎克铰

2、加载平台21、球铰座

3、基础平台31、虎克铰座

41、球铰42、活塞杆43、伺服油缸

44、虎克铰45、位移传感器滑尺46、位移传感器滑定尺

(五)具体实施方式

下面提供一个满足小载荷、高精度加载机构要求的实物结构件六维力学性能测试装置的实施例，它包括以下组成部分：

1.控制系统(如图1所示)，包括：

1)加载运动控制器：包括控制计算机和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡插在控制计算机的I/O扩展槽中，在控制计算机的控制下向各运动轴(本发明技术方案中的运动轴称为并联连杆)发出运动控制指令；

其中，控制计算机选用研华ADVANTECHIPC-610H型计算机。。

其中，多轴运动控制控制卡选用P-MACCompax3M多轴运动控制卡。

2)加载运动编程控制系统：即安装在控制计算机上的软件系统，包括编程系统软件和控制系统软件。所述编程系统软件的包括载荷-位移转换模块，笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块和编程界面，图5b所示。

载荷-位移转换模块用于根据结构件的载荷分布，通过有限元方法计算相应的变形位移；

笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块用于计算机构反解，即将笛卡儿坐标系中的变形位移转换为各连杆的位移；计算机构反解的具体过程如下：

为求运动反解，在加载平台建立坐标系(Op-Xp，Yp，Zp)，在基础平台建立坐标系(Ob-Xb，Yb，Zb)，每一根杆用一个矢量Li表示(i＝1，2，...6.).，如图6所示。

图中，H是加载平台坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量，Pi是加载平台铰链点位置矢量，Bi是基础平台铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

Li＝H+PiR^T-Bi(1)

式中，R是加载平台座标系相对于基础平台坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3-{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3+{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3\\ {\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3+{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3-{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3\\ -{\mathrm{s\&theta;}}_2& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示加载平台绕x、y、z轴的转角。

根据加载平台加载时所需的位置H和姿态θ₁、θ₂、θ₃，由式1和2，即可算出杆长Li(i＝1，2，...6.)。

编程界面中输入载荷的空间、时间分布，加载点位置，极限位移等信息；

控制系统软件是控制计算机上安装的与多轴运动控制卡相配套的系统软件，而编程系统软件是安装在控制系统软件之上的应用支撑软件

3)加载运动伺服系统：包括伺服电源，伺服主机和位移传感器及其向控制系统的反馈电路。伺服主机采用交流伺服电机为佳；直接利用伺服电机尾部自带的旋转编码器作为滑动杆位移传感器；用于向加载运动控制器和采样系统反馈滑动杆的轴向位移信息。位移传感器分辨率为1μm。

4)力传感器：六维力传感器，选用合肥旭宁科技公司的六维力传感器。测量三向力和三向力矩，并向加载运动控制器和采样系统反馈力传感器信号。

加载运动编程控制系统是安装在控制计算机上的软件系统，其功能是根据加载所需的载荷计算加载位移，所得位移是笛卡尔坐标系中的位移，经过坐标转换，变成实轴坐标位移量；加载运动控制器与加载运动伺服系统相连，实轴坐标位移量经控制计算机及多轴运动控制卡向加载运动伺服系统发出指令，使伺服主机产生给定运动；力传感器安装在加载平台上检测实际加载效果，并向控制计算机反馈，进行调节。力传感器上又根据不同结构件安装有专用工装，用于向结构件施予加载力，同时记录加载力大小。

专用工装根据被测结构件情况具体设计，可采用机械夹紧、液压夹紧等形式，例如框、梁类零件夹持部位为平面时可用垫铁、压板等夹紧；起落架作动器类零件夹持部位为圆柱面时可用卡盘夹紧。当被测件表面光滑难以夹持时(如机翼、尾翼等)，可以采用真空吸盘。

2.采样系统(如图2所示)，包括：

1)采样计算机：包括数据存储、处理、显示等功能；

2)采样板卡：包括多通道力信号的采集、A/D转换等功能，可选用12位以上的信号采集卡，通道数要满足采集通道要求；

3)应变片：贴在结构件的关键位置上，将应变信号传输给采样板卡，监测这些位置的实际应变和应力。

4)位移计算模块：根据连杆的实际位移，通过并联机构正解计算，获得实际加载位移。

并联机构正解计算与前面的反解计算过程相反。这里已知每根伸缩杆3的实际位移矢量Li(i＝1，2，...6.)，求解活动平台的坐标原点在基础平台1坐标系中的位置矢量H。如图5所示。Pi是活动平台铰链点位置矢量，Bi是基础平台1铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

H＝Li-PiR^T+Bi(3)

式中，R是活动平台座标系相对于基础平台1坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3-{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3+{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3\\ {\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3+{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3-{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3\\ -{\mathrm{s\&theta;}}_2& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2\end{array}\right)---\left(4\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示活动平台绕X、Y、Z轴的转角。

采样系统用以采集力信号和位移信号，进行变换、存储、处理，生成曲线、数表等表达方式，并根据设定位移显示加载过程中力和位移的关系。其中采样板卡安装在采样计算机上，采集控制系统的力传感器发出的力传感器信号；同时采样计算机上还安装有位移计算软件模块，用以将连杆的实际位移换算成加载平台的笛卡尔坐标加载位移，实现加载位移的间接采集。

3.并联加载机构(如图3所示)，包括：

1)并联连杆：采用以电机为伺服主机的并联连杆，如图4所示：包括球铰11、滑动杆12、丝杠13、螺母14、固定杆15、联轴器16、电机17、虎克铰18；其中，球铰11与滑动杆12紧固连接；滑动杆是与螺母14固连的钢管，丝杠13旋入螺母，并可插入钢管中伸缩；丝杠与电机17通过联轴器16相连；固定杆15一端内孔与滑动杆外圆滑动配合，另一端有法兰，与电机的法兰端盖和虎克铰18固连；

这里值得指出的是，当被测的实物结构件对加载机构并联连杆的运行精度要求并不高，而对于并联连杆加载载荷要求很大的情况下，伺服主机优先采用伺服油缸，以液压油缸为伺服主机的连杆，如图4所示：包括球铰41、活塞杆42、伺服油缸43、虎克铰44、位移传感器滑尺45、位移传感器滑定尺46和液压伺服回路。位移传感器滑尺45用夹头固定在活塞杆42上。其中位移传感器滑尺45和位移传感器滑定尺46组成位移传感器，其分辨率不大于最大加载位移的5‰。

2)加载平台2：设有球铰座21，六维力传感器和专用工装。每两个并联连杆3共用一个球铰11，三个球铰座21在加载平台2上呈间隔120°分布，六维力传感器安装在加载平台2中部，六维力传感器上安装测试件的专用工装；

3)基础平台3：包括六个虎克铰座31和与地面固定的底座。底座也可通过金属结构连接装置与地面固定，以调整底座方向(见图8)。六个虎克铰18分布在一个圆上，形成不等边六边形。在结构允许的情况下，长边短边相差尽量大。

基础平台3和加载平台2由六根并联连杆1连接，每根并联连杆1球铰11一端与加载平台2通过球铰座21连接，虎克铰18一端与基础平台3通过虎克铰座31连接，形成6-UPS机构(即6个虎克铰-移动副-球铰组成的运动链机构)。

其工作方式是：每根并联连杆1通过电机-丝杠驱动产生伸缩运动，六根并联1连杆的运动组合使得加载平台2产生六自由度的加载运动，可以对被测结构件施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根并联连杆1的运动由计算机控制，可以根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。

根据所测力实物结构件的实际形状构造，可采用多个实物结构件六维力学性能测试装置，配合使用。当采用多台加载机构时，应采用上下位机的控制方式。下位机即为各台加载机构的控制计算机，而上位机用于协调多台下位机的工作。上位机根据整个构件的载荷状况指挥各下位机进行指定方位、大小的加载，并保持各下位机按统一的节拍工作，如图11所示。

采用上述测试装置，根据不同结构件力学性能测试的具体要求，进行实物结构件六维力学性能测试，具体包括如下步骤：

(1)结构件受力状况分析和载荷谱建立

分析确定结结构件在工作中的载荷状况，包括集中载荷作用点及方向，分布载荷的分布规律，结结构件的约束情况，以及上述载荷状况随时间的变化规律，根据载荷的空间、时间分布规律，建立结构件的载荷谱：F＝F(x，y，z，t)，即载荷F与载荷作用点x，y，z和时间t之间的函数关系。

(2)结构件应力应变分布及其时间函数

根据载荷谱计算出结结构件的应力、应变在结构件中的分布，求得这种分布状况随时间的变化规律：σ＝σ(x，y，z，t)，即应力的空间位置x，y，z分布与时间t之间的函数关系。

(3)确定加载点位置、加载位移及其时间函数

在有限元仿真环境下，采用单点或少点集中力给结构件加载(可以是多维力载荷)，产生与工作状态尽量相似的应力应变分布及其随时间的变化，确定加载点位置、载荷大小及方向、产生的位移大小及方向，以及位移的时间函数。

例如某悬臂梁受均匀分布载荷，其弯矩分布如图10a中的M，现用两点集中力F₁和F₂给悬臂梁加载，使产生的弯矩M’(图10b)尽量接近原有弯矩M。显然加载点越多，越接近原有弯矩，但需要更多的加载装置，提高了系统的复杂程度和实验成本。

(4)多维力加载

根据加载平台运动要求，由控制计算机求解并联机构反解，得出每根并联连杆的运动形式，加载运动伺服系统产生加载运动。控制系统采用力信号和位移信号的双重反馈对并联加载机构进行控制，系统控制框图见图5。加载平台上安装六维力传感器，六维力传感器上安装测试件的夹具。加载平台通过六维力传感器向测试件加载，力传感器实时监测载荷，并向控制系统反馈；位移传感器测量并联连杆位移，向控制计算机进行位置反馈。

对于小型结结构件，一个并联加载机构即可实现对结结构件的多维力加载(如图7)；对于大型结结构件，可采用两个加载机构加载(如图8)。利用同样原理，加载机构也可以对部装件进行加载实验(如图9)。

(5)实际应力应变监测

进行多维力加载的同时，采用粘贴应变片等措施在结构件关键位置监测应力应变，与理论值对比。分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考。

(6)破坏性实验

在有必要的情况下，加大载荷值，进行破坏性实验，考查结构件的破坏形式和危险截面。

(7)重复实验

分析实验值与理论值的误差，根据误差大小决定是否需要修改参数再次实验。

Claims (15)

1.一种实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：该测试装置包括以下组成部分：控制系统，包括：

加载运动控制器：包括控制计算机和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡插在控制计算机的I/O扩展槽中，在控制计算机的控制下向各并联连杆发出运动控制指令；

加载运动编程控制系统：包括编程系统软件和控制系统软件；控制系统软件是控制计算机上安装的与多轴运动控制卡相配套的系统软件，而编程系统软件是安装在控制系统软件之上的应用支撑软件；

所述编程系统软件包括载荷-位移转换模块，笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块和编程界面；载荷-位移转换模块根据结构件的载荷分布，通过有限元方法计算相应的变形位移；笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块计算机构反解，将笛卡儿坐标系中的变形位移转换为各连杆的位移；编程界面中输入载荷的空间、时间分布，加载点位置及极限位移信息；

加载运动伺服系统：包括伺服电源，伺服主机和位移传感器及其向控制系统的反馈电路；

力传感采用六维力传感器，测量三向力和三向力矩，并向加载运动控制器和采样系统反馈力传感器信号；

加载运动控制器与加载运动伺服系统相连，实轴坐标位移量经控制计算机及多轴运动控制卡向加载运动伺服系统发出指令，使伺服主机产生给定运动；力传感器安装在加载平台上检测实际加载效果，并向控制计算机反馈，进行调节；力传感器上又根据不同结构件安装有专用工装，用于向结构件施予加载力，同时记录加载力大小；

采样系统，包括：

采样计算机：包括数据存储、处理及显示功能；

采样板卡：包括多通道力信号的采集、A/D转换的功能，通道数要满足采集通道要求；

应变片：贴在结构件的关键位置上，将应变信号传输给采样板卡，监测这些位置的实际应变和应力；

位移计算模块：根据连杆的实际位移，通过并联机构正解计算，获得实际加载位移；

采样系统用以采集力信号和位移信号，进行变换、存储、处理，生成曲线和数表的表达方式，并根据设定位移显示加载过程中力和位移的关系；所述采样板卡安装在采样计算机上，采集控制系统的力传感器发出的力传感器信号；同时采样计算机上还安装有位移计算模块，用以将连杆的实际位移换算成加载平台的笛卡尔坐标加载位移，实现加载位移的间接采集；

并联加载机构，包括：

并联连杆：安装有预定伺服主机的连杆；

加载平台：设有球铰座，六维力传感器和专用工装，每两个连杆共用一个球铰，三个球铰座在加载平台上呈间隔120°分布，六维力传感器安装在加载平台中部，六维力传感器上安装测试件的专用工装；

基础平台：包括六个虎克铰座和与地面固定的底座；六个虎克铰分布在一个圆上，形成不等边六边形；

基础平台和加载平台由六根并联连杆连接，每根并联连杆球铰一端与加载平台通过球铰座连接，虎克铰一端与基础平台通过虎克铰座连接，形成6-UPS机构。

2.一种实物结构件六维力学性能测试方法，包括以下步骤：

①分析结构件在实际工作中的受力状况和建立结构件的时变载荷谱；

分析确定结构件在工作中的受力状况，包括集中载荷作用点及方向，分布载荷的分布规律，结构件的约束情况，以及上述两类载荷状况随时间的变化规律，根据载荷的空间、时间分布规律；

②求出结构件应力应变分布及其时间函数；

根据结构件的载荷谱：F＝F(x，y，z，t)，即载荷F与载荷作用点x，y，z和时间t之间的函数关系，采用有限元方法计算出结构件的应力、应变在结构件中的分布，求得这种分布状况随时间的变化规律：σ＝σ(x，y，z，t)，ε＝ε(x，y，z，t)，即应力σ和应变ε的空间位置x，y，z分布与时间t之间的函数关系；

③采用有限元仿真技术确定步骤②中这种应力状态下的加载点位移及其时间函数；

根据上一步求出的应力应变分布及其时间函数σ＝σ(x，y，z，t)，ε＝ε(x，y，z，t)，在有限元仿真环境下，采用单点或少点集中力给结构件加载，产生与工作状态尽量相似的应力应变分布及其随时间的变化，确定加载点位置、载荷大小及方向、产生的位移大小及方向，以及加载位移的时间函数δ＝δ(x，y，z，t)；

其特征在于：采用实物结构件六维力学性能测试装置完成如下面所述的后续步骤：

④按照加载位移的时间函数进行多维力加载，

根据加载位移的时间函数，确定加载平台运动要求，由控制计算机根据加载平台的运动求解并联机构反解，得出每根并联连杆的运动形式，加载运动伺服系统产生加载运动；

⑤分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考；

进行多维力加载的同时，采用粘贴应变片措施在结构件关键位置监测应力应变，采样系统采集应力应变值，与载荷谱的理论值对比；分析结构件的实际应力分布，作为结构设计的参考；

⑥在有必要的情况下，加大载荷值，进行破坏性实验，考查结构件的破坏形式和危险截面；

⑦分析实验值与理论值的误差，根据误差大小决定是否需要修改参数再次实验。

3.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：笛卡尔坐标-实轴坐标转换模块计算机构反解的具体过程如下：

为求运动反解，在加载平台建立坐标系(Op-Xp，Yp，Zp)，在基础平台建立坐标系(Ob-Xb，Yb，Zb)，每一根杆用一个矢量L_i表示，其中，i＝1，2，...6；

其中，H是加载平台坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量，P_i是加载平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台铰链点位置矢，并且有以下关系：

L_i＝H+P_iR^T-B_i(1)

式中，R是加载平台座标系相对于基础平台坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3-{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3+{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3\\ {\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3+{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3-{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3\\ -{\mathrm{s\&theta;}}_2& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示加载平台绕x、y、z轴的转角；

根据加载平台加载时所需的位置H和姿态θ₁、θ₂、θ₃，由式(1)和(2)，即算出杆长L_i，其中，i＝1，2，...6。

4.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：当载荷是频率较高的动载荷时，六维力传感器选用压电式传感器。

5.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：当载荷是静载荷或变化较慢的载荷时，六维力传感器选用应变式传感器。

6.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：对于小载荷、高精度加载机构，并联连杆采用以电机为伺服主机的连杆，包括球铰、滑动杆、丝杠、螺母、固定杆、联轴器、电机、虎克铰；球铰与滑动杆紧固连接；滑动杆是与螺母固连的钢管，丝杠旋入螺母，并插入钢管中伸缩；丝杠与电机通过联轴器相连；固定杆一端内孔与滑动杆外圆滑动配合，另一端有法兰，与电机的法兰端盖和虎克铰固连。

7.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：大载荷、低精度加载机构，并联连杆采用以液压油缸为伺服主机的连杆，包括球铰、活塞杆、伺服油缸、虎克铰、位移传感器滑尺、位移传感器定尺和液压伺服回路，位移传感器滑尺用夹头固定在活塞杆上。

8.如权利要求6或7所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：位移传感器分辨率不大于最大加载位移的5‰。

9.如权利要求6或7所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：位移传感器采用光栅、容栅、磁栅或电感式位移传感器中的一种。

10.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：专用工装根据被测结构件情况具体设计，采用机械夹紧、液压夹紧或真空吸盘中之一的形式。

11.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：采样系统的位移计算模块的正解计算为：

每根伸缩杆的实际位移矢量L_i，其中，i＝1，2，...6，求解活动平台的坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量H；P_i是活动平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台1铰链点位置矢；并且有以下关系：

H＝L_i-P_iR^T+B_i

式中，R是活动平台座标系相对于基础平台1坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3-{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{c\&theta;}}_3+{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_3\\ {\mathrm{c\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3+{\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{s\&theta;}}_2{\mathrm{s\&theta;}}_3-{\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_3\\ -{\mathrm{s\&theta;}}_2& {\mathrm{s\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2& {\mathrm{c\&theta;}}_1{\mathrm{c\&theta;}}_2\end{array}\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示活动平台绕X、Y、Z轴的转角。

12.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：基础平台的底座通过金属结构连接装置与地面固定，以调整底座方向。

13.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：基础平台上六个虎克铰形成的不等边六边形在结构允许的情况下，长边短边相差尽量大。

14.如权利要求1所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：根据所测力实物结构件的实际形状构造，采用多个实物结构件六维力学性能测试装置，配合使用。

15.如权利要求14所述的实物结构件六维力学性能测试装置，其特征在于：采用上下位机的控制方式；下位机为各台加载机构的控制计算机，而上位机用于协调多台下位机的工作；上位机根据整个构件的载荷状况指挥各下位机进行指定方位、大小的加载，并保持各下位机按统一的节拍工作。