1 結(jié)構(gòu)框架常見形式
拉壓試驗機按基本安裝形式，可分為立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩大類[3]。其中，立式結(jié)構(gòu)可分為立式單桿、立式雙桿及立式多桿結(jié)構(gòu)；臥式結(jié)構(gòu)分為臥式雙桿和臥式多桿形式。下面對各種試驗機框架結(jié)構(gòu)的具體形式、應(yīng)用場合及優(yōu)缺點進行討論。
1.1 立式框架結(jié)構(gòu)
立式框架結(jié)構(gòu)占地較小，是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，多用于小載荷試驗及材料試驗。圖1所示就是一種立式單桿試驗機的結(jié)構(gòu)圖。
立式單桿形式主要用于小型拉力試驗，載荷范圍一般為幾百千克。這種結(jié)構(gòu)的試驗機多用于桌面小型試驗，框架結(jié)構(gòu)由固定座、單承力柱、移動架和加載頭組成，如圖1所示。加載系統(tǒng)多采用電機加絲杠的加載方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的特點，但是懸臂梁結(jié)構(gòu)會使得框架穩(wěn)定性較差，所以該結(jié)構(gòu)形式只能用于小型拉壓試驗。
圖2所示是一種立式雙桿結(jié)構(gòu)的示意圖。立式雙桿結(jié)構(gòu)是較為常見的一種形式，常見的材料試驗機大多采用這種結(jié)構(gòu)形式，框架結(jié)構(gòu)由固定座、兩個承力柱、移動架和加載頭組成，如圖2所示。加載方式多采用絲杠加載或液壓缸加載方式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是立柱起導(dǎo)向及承力作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，設(shè)備占地小，可進行較大載荷試驗，中心加載對心效果好，加載控制較為簡單；其缺點主要是不利于大尺寸試驗件及重量較大的試驗件安裝，只能對試驗件進行軸向載荷試驗。
此外，還有立式多桿結(jié)構(gòu)。多桿形式也是一種較為常見的框架結(jié)構(gòu)形式，多為四桿形式，基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點與雙桿結(jié)構(gòu)類似。該種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，可承受更大載荷，但對立柱、移動架加工安裝精度要求也更高，否則很易出現(xiàn)不同步移動架卡滯現(xiàn)象，這一點是采用這種結(jié)構(gòu)需要注意的。
1.2 臥式框架結(jié)構(gòu)
臥式框架結(jié)構(gòu)多用于大載荷拉壓試驗、鋼管類細長試件的拉壓試驗。臥式結(jié)構(gòu)優(yōu)點是方便試件安裝操作，并且可以靈活地在底座上安裝用于施加側(cè)向力或其他試驗的夾具。
臥式框架結(jié)構(gòu)有臥式單缸兩桿結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用一個液壓缸中心單點加載，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)形式也可根據(jù)拉壓載荷的需求，利用一個反向架結(jié)構(gòu)將液壓缸的作用力反向，如圖4所示。可移動框架可根據(jù)實際要求采用固定或可移動結(jié)構(gòu)，由于框架為臥式結(jié)構(gòu)，承力柱應(yīng)考慮本身自重所產(chǎn)生的撓度，以及采用細長桿結(jié)構(gòu)而帶來的穩(wěn)定性問題。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，單缸加載方式試驗對中性好，不會產(chǎn)生偏載，框架穩(wěn)定性較好，試件安裝簡單，操作方便，系統(tǒng)控制也較為簡單、可靠；其缺點是，必須選用大噸位液壓缸，而大噸位液壓缸加工困難，成本也較高。
其次就是臥式雙缸兩桿結(jié)構(gòu)，雙缸兩桿結(jié)構(gòu)框架采用兩個液壓缸加載，如圖5所示。兩個液壓缸分別安裝在承力柱上，加載時共同施加載荷在一個可移動加載頭上。這種結(jié)構(gòu)形式相對于單缸兩桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是框架體積較小，可采用相對較小的液壓缸。缺點主要有：首先，由于兩個液壓缸在加工時的誤差，兩個液壓缸很難做到同步，在加載時會產(chǎn)生偏載，從而影響實驗結(jié)果，為解決偏載問題，控制系統(tǒng)就要采用協(xié)調(diào)加載方式，從而大大提高了控制成本；其次，采用這種結(jié)構(gòu)還要重點考慮加載不同步可能引起的液壓缸及框架的卡滯及加載不同步情況對框架的破壞。
另外，也有臥式四缸四桿結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點與雙缸兩桿結(jié)構(gòu)類似，框架的穩(wěn)定性很好，可以做到很大的加載能力，但缺點是協(xié)調(diào)加載的控制難度更大。
2 結(jié)構(gòu)框架優(yōu)化設(shè)計
目前，我國制造的拉壓試驗機能保證良好的性能、質(zhì)量和可靠性，但是，與世界工業(yè)發(fā)達國家相比，我國的拉壓試驗機[4，5]更多的是結(jié)合材料力學(xué)計算及以往設(shè)計經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，效果不是很好，甚至可能導(dǎo)致個別部件出現(xiàn)問題；另外，比國外試驗機相對笨重，因而導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，市場競爭力下降；同時，由于市場需求不同導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生變化時，技術(shù)人員需要在結(jié)構(gòu)上進行改變，產(chǎn)生冗余工作，增加設(shè)計時間，也增加了生產(chǎn)成本。
因此，在對試驗機進行設(shè)計時，尤其是大型試驗機，結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)化是*的。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計不僅可以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且能夠改進結(jié)構(gòu)的強度、剛度、振動特性、屈曲穩(wěn)定性等特性。
2.1 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法
拓撲優(yōu)化是根據(jù)既定的結(jié)構(gòu)類型、形式、工況、材料和規(guī)范所規(guī)定的各種約束條件(如強度、剛度、頻率等)，提出優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型(包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量)，zui后達到材料的合理分配，使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求[6]。目前，連續(xù)體拓撲優(yōu)化的研究已經(jīng)較為成熟，其中變密度法已經(jīng)被應(yīng)用到商用優(yōu)化軟件中，其中zui的是美國Altair公司Hyperworks系列軟件中的OptiStruct優(yōu)化模塊，能夠采用Hypermesh作為前處理器，在各大行業(yè)內(nèi)應(yīng)用zui多。
2.2 OptiStruct優(yōu)化功能
OptiStruct 是基于有限元的方法，通過對結(jié)構(gòu)拓撲、形狀、尺寸等優(yōu)化，得到優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。OptiStruct 運用多種不同的貫穿于設(shè)計的各個階段的優(yōu)化方法，對靜力、模態(tài)進行分析優(yōu)化，此外，對于存在上百個變量和響應(yīng)的大模型亦可進行優(yōu)化。OptiStruct 的主要優(yōu)化計算方法有變密度法和均勻化法。
OptiStruct 進行優(yōu)化前，需要在 Hypermesh 中進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前處理 及定義，*步是在 Hypermesh 中進行有限元建模、優(yōu)化變量定義、約束和目標(biāo)定義、結(jié)構(gòu)響應(yīng)定義等，第二步是在 OptiStruct 中進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第三步是在Hypermesh 中對 OptiStruct 的優(yōu)化結(jié)果進行后處理[7]。OptiStruct 已與 Hypermesh實現(xiàn)無縫連接，從而使上述過程方便快捷。
綜上所述，運用 OptiStruct 進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為以下幾個步驟：首先是在 Hypermesh 中進行前處理、輸入文件；然后創(chuàng)建有限元模型并優(yōu)化參數(shù)定義，定義工作主要是定義優(yōu)化變量、定義結(jié)構(gòu)響應(yīng)和定義約束和目標(biāo)；其次是在 OptiStruct 中進行優(yōu)化計算；zui后在 Hypermesh 中進行后處理及結(jié)果驗證。其流程圖如圖6所示。
