1 引 言
平推对夹式电液伺服试验机是检测金属和非金属材料物理性能的主要设备之一，主要用来进行金属材料的拉伸试验。主机是试验机工作的执行元件，是直接影响试验机工作性能和试验数据准确性的关键组成部分。所以，对在试验过程中的试验机主机进行有限元静态和瞬时动态分析非常必要。本文以1000kN平推对夹式电液伺服试验机主机为例，利用ANSYS软件进行静态及瞬时动态有限元分析。
2 主机框架结构
主机由底座和油缸座及四立柱构成下置试验空间，采用双作用伺服油缸上置结构，下钳口座通过负荷传感器与主机底座相连，上钳口座与伺服油缸活塞杆相连接，通过活塞杆的升降带动上钳口座上下移动来调整试验空间和施加试验力。主机主要由底座、立柱、传感器、下钳口座、上钳口座、连接盘、油缸座和主油缸组成，见图1。
3 试验机拉伸过程中的力学问题
试验过程中主机的四立柱受到轴向压力大，因此对立柱进行轴向压力稳定性分析必不可少。在试件被拉断瞬间，试验机受到瞬时剧烈冲击载荷而持续振动，故动态分析亦非常必要。因此，将研究的内容总结为如下两个方面。
(1)静力分析，对主机四立柱稳定性进行分析，采用简化模型。
(2)冲击力学分析，试件拉断瞬间卸载对主机的冲击作用。
4 分析方法
立柱承受轴向压力作用，根据材料力学中的欧拉压杆稳定公式，由相应的边界条件计算出临界屈曲作用力。由于主机具有对称性，故每根立柱受1/4载荷。如果每根立柱临界屈曲作用力大于其实际受到的轴向作用力，则满足稳定性条件。
试件被拉断后，载荷突然消失，主机受到两处冲击载荷作用，分别是液压冲击载荷和下钳口座的竖向拉载荷，由于作用时间很短，采用显示动力学计算。
5 Ansys模拟分析
5.1 模型的简化
试验机整体建模比较复杂，涉及多处接触问题，给后续计算带来难度。据分析可知，试验机受到的作用载荷多为内力，可相互作用而平衡。由力学原理可知，将试验机主机整体进行分解，将关心的部分隔离出来单独分析，可大大简化计算的复杂性。
活塞杆和液压缸之间的载荷传递通过液压油实现，上钳口座和下钳口座相互作用通过拉伸试件时实现，故活塞杆和上钳口座作为相对独立的部分与其他部件隔离，并以等效外力载荷加载在主机上。下钳口座受到的外力载荷是自重和试验过程中的拉伸力。
静力学分析时，试验机主机承受的内力自身平衡，由于重力作用竖向没有位移，同时因摩擦力约束，水平方向位移也为零，所以设定底座下表面的3个方向位移为零。试件拉断后，在冲击力作用下，主机的应变能被瞬间释放，主机将向上运动，所以不能约束底座下表面的位移。将底座和地面处理为接触对。
材料均为各项同性，其中上、下钳口座，材料为35GrMo，杨 氏 模 量E=206GPa，泊 松 比v=0.3;其他材料为45#钢，杨氏模量E=209GPa，泊松比v=0.269。划分完单元格后的模型如图2所示。
5.2 主机力学分析
(1)强度分析整机的位移云图如图3所示。图3表明，沿油缸座的短边方向，中部发生最大位移，定性用材料力学的惯性矩公式：
对于钢材，属于塑性材料，通常使用第四强度理论校验，即Mises应力，也称等效应力。
从图4的等效应力云图可以看出，油缸盖底部中间处出现最大Mises应力。沿油缸座短边方向，中部向下的位移最大，给油缸盖施加了很大的压载荷，定性的材料力学公式：
因油缸盖中部弯矩M最大，表面离中性轴的距离y最远，可知油缸盖中部的下表面受到的应力最大，与模拟结果相符。最大的应力值约为65MPa，远小于45号钢的屈服应力355MPa，故满足强度要求。
(2)立柱稳定性分析细长欧拉杆屈曲的临界载荷公式：
其中，μ与边界条件有关，两端固定取0.5，一端固定，一端简支取1。
每根立柱实际承受的荷载为：
其中，σ0为液压。由于油缸座和底座的约束作用，Fcr更接近于1054kN，故立柱不会发生屈曲，满足稳定性要求
(3)冲击动力学
冲击力学的时间步与网格的大小成正比，一般计算时间较长。为减少计算量，据主机对称性，只建立四分之一结构模型，对下钳口座进行质量等效修改，见图5。
在试件拉断瞬间，主机受到两处冲击载荷作用，液压冲击载荷和下钳口座释放的拉力载荷。液压冲击载荷受液压油的粘性阻力作用，卸载相对较慢，而拉力载荷则瞬间消失。通过多次计算检验，发现应力和位移与时间的长短不敏感，据经验取如下数据。其中，液压产生的竖向作用力在0.1s内从1010kN下降到0，下钳口座力载荷在0.02s内由760kN降到0。
底座与地面接触，假定地面为刚性接触面，底座下表面为柔性接触面。由于时间很短，冲击过程的模拟使用显示动力学方法，计算效率较高。用An-sys/Dyna进行分析计算，得到各个时刻的位移、速度和应力，下面给出了同一时刻t=0.006s的三者云图(如图6所示)。
从图6可见，荷载卸载后主机的应力和位移比拉伸过程中的准静态时大得多。在卸载的初始阶段，立柱应力大是因为立柱的柔性较大，惯性比较小，更容易形变。在速度云图中，荷载卸除后，应变能转化为动能，使油缸和油缸座产生竖向的速度。位移云图中，底座发生了竖向位移，但试验机的振幅最大仅为0.82mm，不会导致主机倾倒的危险后果。主机会持续振动，由于阻尼的作用，振动的幅度会越来越小，最终静止。此过程中主机的应力和位移值会越来越小，最终变为零。
6 结 论
据对平推对夹式电液伺服试验机主机的静态和动态有限元分析可知，在试验过程中主机稳定性好，试样断裂瞬间主机的振幅仅为0.82mm，说明主机结构设计合理，没有外部激励的情况下不会发生倾倒，且液压系统中吸振模块的设计，可使主机实现无地基安装的要求。1000kN平推对夹式电液伺服试验机主机有限元分析可为试验机的设计提供方法和依据。
参考文献
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本文作者：刘维平，王爱丽，程建平
