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轴向伺服加载试验系统设计及研究

作　者: 王平
导　师: 徐兵
学　校: 浙江大学
专　业: 机械工程
关键词: 伺服加载试验系统设计建模仿真多余力不变性原理试验分析
分类号: TH137.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

伺服加载系统在工程领域通常也被称为负载模拟器,是在实验室条件下合理地模拟被试件所受真实载荷的加载试验装置,其具有高响应、高精度、高功率重量比和大功率输出等优点。电液伺服加载系统是伺服加载系统的一个重要组成部分,它是对结构件进行静力性能、疲劳性能、断裂韧度等试验的关键设备,能够为结构件设计提供充分的理论依据。本课题所研制的轴向伺服加载试验系统,是为立管疲劳试验而设计的。其功能是模拟输油管道在海底所受到的轴向力作用,从而检测被试件的各种机械性能指标,将经典的自破坏全实物试验转化为在实验室条件下的预测性试验,以达到缩短研制周期、节约研制经费、提高可靠性和成功率的目的。本轴向伺服加载试验系统属于典型的被动式电液力伺服系统。在试验过程中,立管试件会同时受到正弦变化的径向加载力作用,造成的弯曲变形会导致其两端头位置发生持续的移动,对施力系统来说这是一个扰动信号。本文从整体设计出发,通过对多个加载方案的详细仿真分析和比较,确立了采用伺服阀和蓄能器联合控制的加载方式；完成了电液系统的设计计算；完成了支架结构的布局分析；完成了控制策略的优化以及控制程序编制,控制软件采用功能强大的梯形图编程软件FPWIN GR,触摸屏软件采用简捷易懂的工程常用软件EasyBuilder,数据采集、存储及实时显示软件采用方便实用的图形化编程软件Labview,它们均具有良好的可读性和实时性；最后,完成了对实际立管被试件的加载试验,验证了试验结果的可靠性。本文各章节具体内容如下：第一章,主要介绍了各种伺服加载系统的原理和特点,总结了电液伺服加载系统的发展优势和难点,介绍了目前电液伺服加载系统在国内外研究和应用现状,并在此基础之上,提出了本课题的研究意义和主要研究内容。第二章,主要介绍了轴向伺服加载系统的设计任务,结合三种不同的加载方案,进行系统建模和仿真,对比分析各方案的优缺点,综合设计出符合任务要求的整体方案,并对轴向伺服加载试验系统的主要特点进行了归纳总结。第三章,在满足加载试验系统功能的前提下,基于系统紧凑化和操作便捷化的设计理念,分别对试验用液压系统各部分进行模块化设计,并对关键元件进行选型计算。对试验系统的支架结构布局进行详细的设计和受力分析,并且充分利用ANSYS软件的优势,对关键部分进行了有限元分析和强度校核,以保证实现其对整个系统稳定可靠的支撑作用。第四章,在满足加载试验系统功能的前提下,充分利用PLC和数据采集设备各自的优势对电控系统进行设计及软、硬件配置,并对关键元器件进行选型。以轴向伺服加载试验系统为基础,建立系统的数学模型,分析多余力的产生机理,建立多余力的数学模型,采用结构不变性补偿方法优化控制策略,并通过MATLAB/Simulink建模和动态仿真验证结构不变性补偿多余力的效果。最后,按照立管疲劳试验轴向加载的要求编写系统控制程序,并对加载试验流程进行合理规划。第五章,以轴向伺服加载试验系统为平台,对立管试件进行加载试验。主要是详细分析实现液压缸有杆腔压力和活塞杆输出加载力稳定的试验方法,结合本系统的特点,对试验结果进行研究分析和验证,从而为进一步研究如何提高伺服加载系统的稳态精度提供试验支撑。第六章,对全文的工作进行总结并作了下一步的展望。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章绪论  13-27
  1.1 伺服加载系统简介  13-16
  1.2 电液伺服加载系统的发展优势及难点  16-20
  1.3 电液伺服加载系统国内外研究和应用现状  20-24
  1.4 课题研究意义  24-25
  1.5 主要研究内容  25-27
第二章加载试验系统方案设计与仿真分析  27-42
  2.1 轴向伺服加载试验系统设计任务  27-28
  2.2 轴向伺服加载试验系统整体方案设计  28-30
  2.3 液压系统加载方案研究分析  30-32
    2.3.1 伺服阀控制方式  30-31
    2.3.2 蓄能器保压方式  31-32
    2.3.3 伺服阀和蓄能器联合控制方式  32
  2.4 液压系统建模与仿真分析  32-40
    2.4.1 液压系统AMESIM建模  32-34
    2.4.2 主要参数的计算及设置  34-37
    2.4.3 仿真结果分析  37-40
  2.5 轴向伺服加载试验系统主要特点分析  40-41
  2.6 本章小结  41-42
第三章液压系统设计计算与支架结构设计分析  42-68
  3.1 液压系统概述  42
  3.2 液压系统各模块设计计算  42-56
    3.2.1 动力油源的设计计算  42-44
    3.2.2 集成阀组的设计计算  44-51
    3.2.3 蓄能器组的设计  51-52
    3.2.4 油箱的结构设计与计算  52-54
    3.2.5 油温控制部分的设计计算  54-55
    3.2.6 液压系统其他附件设计计算  55-56
  3.3 系统支架概述  56-57
  3.4 支架结构设计与分析  57-67
    3.4.1 支架结构设计要点  57
    3.4.2 支架结构布局的设计  57-59
    3.4.3 关键部分受力计算及校核  59-64
    3.4.4 ANSYS有限元分析  64-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章电控系统设计与控制策略研究  68-89
  4.1 电控系统概述  68-69
  4.2 电控系统各部分设计  69-73
    4.2.1 数据采集及处理部分设计  69-70
    4.2.2 系统控制及状态监测部分设计  70-72
    4.2.3 数据采集及控制软件设计  72-73
  4.3 电液系统数学建模及多余力补偿控制策略研究  73-84
    4.3.1 电液系统数学模型的建立  73-78
    4.3.2 加载试验系统多余力的分析  78-80
    4.3.3 系统中不同环节对多余力影响  80
    4.3.4 采用结构不变性补偿方法消除多余力  80-81
    4.3.5 系统MATLAB/SIMULINK动态仿真分析  81-84
  4.4 系统程序和试验流程规划  84-87
  4.5 本章小结  87-89
第五章轴向加载试验研究与分析  89-99
  5.1 轴向伺服力加载试验内容概述  89-91
  5.2 试验准备和试验条件  91-93
  5.3 轴向伺服加载试验研究  93-97
    5.3.1 控制器PID参数的整定  93-94
    5.3.2 液压缸活塞杆初始位置调节试验  94
    5.3.3 轴向力加载试验与结果分析  94-97
  5.4 试验分析总结  97
  5.5 本章小结  97-99
第六章总结及展望  99-101
  6.1 总结  99-100
  6.2 展望  100-101
参考文献  101-106
作者简历  106

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