本文通过强度椭球的提出，对三轴试验机技术进行论述。采用模拟构件真实应力的方法，对建立复杂应力状态下的强度条件，丰富强度理论的建立有着极其重要的现实意义。
关键词：强度椭球 几何点 同步控制 数字式控制系统
一、前言
建立单向应力状态下的强度条件，可不考虑引起材料破坏的内在原因，直接将构件的工作应力与材料的单向受力时的极限应力进行比较即可。但是，若用同样的想法去建立复杂应力状态下的强度条件则会因主应力有无限多组不同的比例组合，而使其主应力极限值无法确定，因而只好假设材料破坏的内在原因，将其用主应力表示，去和材料的已有强度极限建立联系，这就是强度理论的起因。
二、 强度椭球的提出
其实在复杂应力状态下，虽然不能试验测得无限多组不同比例的主应力极限值，但可以做有限组主应力极限值的测定。以每一组应力值为坐标，并考虑到材料及应力函数的连续性，将会在以δ1、δ2和δ3为坐标轴的三维直角坐标系中，得到一个空间网格面。网格坐标即是有限组实验的主应力极限值，所以该网格面就是某种材料强度的临界面。实验测得主应力极限值的组数愈多，临界面将趋于一个光曲面。构件内危险点处的任一组不同比例的主应力值都可以在空间坐标系中找到其对应的几何点，该点在临界面内就是安全的。所以临界面以内的空间形体表示了某种材料满足强度要求的所有组主应力的集合。暂且将该空间形体称为材料的“强度椭球”，利用计算机动画去比较一组主应力是否在“强度椭球”内，将使得强度计算工作变得简单轻松。
设想“强度椭球”的大概形状像一个鼓槌，槌头顶端在空间直角坐标系的第一卦限内，其坐标值肯定小于材料在单向拉伸时极限应力值δL，槌头的大部分围绕坐标原点；槌尾端在第七卦限内，其坐标值将大于材料在单向压缩时间的极限应力δy，若以材料断裂为极限应力，其坐标值将趋近于无限大；椭球表面还应经过以下几点（δL，0，0），（0，δL，0），（0，0，δL），以及（-δy，0，0），（0，-δy，0），（0，0，-δy）。材料的“强度椭球”显见会因材料在动静载、温度等外界条件的改变下，象气球一样大小变化。
三、三轴试验机技术
建立“强度椭球”的最大障碍是研制一台能使构件测试区产生三向不同比例主应力的试验机用来模拟构件真实应力。随着试验机技术的发展，微机控制电液伺服液压万能试验机技术得到较大的提高，将其技术合理运用来研制开发多功能用途的三轴试验机。下面就这个方面进行讨论。
微机控制电液伺服液压万能试验机是通用的机械性能测试仪器，采用微机数字控制，通过脉宽调制技术对试验机进行参数预置、实现自动控制、测量及数据处理，开发应用高性能比例阀组件，高分辨率位移传感器，解决了宽范围的流量调节，试验参数的高精度控制、测量等技术难题，从而实现了液压万能试验机的高精度、宽范围、多功能的电液比例伺服控制。利用该项目电液比例伺服控制技术，控制同方向的两个对称油缸，即可实现等应力、等位移多种功能的试验控制。用三套独立的电液比例伺服控制系统控制每个方向的两个对称油缸，即可实现三个方向不同比例的主应力的三轴试验。
四、三轴试验机的结构设计
研制三轴试验机的关键是如何实现三轴方向进行不同比例主应力试验控制的同时实现油缸位移的同步控制，使得任一组不同比例的主应力值都可以在空间坐标系中找到其对应的几何点，形成所有组主应力的集合。如何充分利用电液伺服控制技术是解决这一问题所在。
采用刚性对称结构在x、y、z三个方向分别设计两个等同的对心油缸，完成每个方向的对心加载。在每个油缸上安装一个位移传感器（光栅尺），再在每个对称油缸上的其中之一安装一个负荷传感器，用单片机控制两个油缸同步运动的同时，控制试验力，经闭环反馈实现位移同步的等应力高精度控制。用三个单片机控制三套单独的力、位移参量，就可实现三个方向不同比例的主应力的三轴试验，用一台计算机控制三个单片机实现三轴方向各个伺服系统的单独控制，并且实现等位移控制试验，实现负荷、位移多功能的控制试验，控制原理见图1电器原理框图。
196 A/D转换 测量放大器 力传感器
工 单 位移计数器A 细分鉴相A 光栅尺A
业 片 脉宽调制A 功率放大A 调速比例阀A
控 机 位移计数器B 细分鉴相B 光栅尺B
制 Ⅰ 脉宽调制B 功率放大B 调速比例阀B
机 196 单片机Ⅱ同Ⅰ
196单片机Ⅲ同Ⅰ
图1 电器原理框图
五、三轴试验机的技术特点
1、 采用刚性固定框架结构，每对对称油缸同心度好，为实现不同比例的等应力控制创造条件。
2、 采用光栅尺结合细分电路测量油缸的位移，具有较高分辨率仅为1μm，变换行程方向仍可精确测量，采用高精度负荷传感器及智能化放大器，测量试验力具有量程宽、精度高等特点。采用全数字式的测量 控制、显示系统，结构简单，传感器精度高，分辨率高，稳定性好。三轴各方向能单独连续自动地测量、控制负荷、位移等参数，实现多种控制功能。在试验过程各种速度可随意切换，且各方向均可单独控制试验。在实现等应力控制、等位移控制、恒应力及恒位移控制同时，还可作各方向的低周波形试验等。
3、 采用新型比例阀组合，结构紧凑，体积小，制造方便，功能完善，尤其是小流量、小内泄（最小稳定流量0.0034L/min）等特点，为试验机各方向的宽范围调速打下基础。比例阀组合结构，抗污染能力强，可实现无故障工作。
4、 整机的调速系统以软件为主体，实现软件调速（提高了产品的可靠性）。在整机功能增强的情况下，电路设计却大大简化，只有小部分强电外，大部分的测量控制电路包括模/数转换、光栅尺系统等设计成光电隔离的多功能模块，提高产品集成化程度。
5、 可手动键盘操作和程序自动控制两种试验方式，试验操作由微机屏幕汉字窗口显示、汉字下拉菜单提示、并有底行注释，试验曲线显示、存储并具有曲线放大功能，为分析加载过程提供极大的方便。
六、 结束语
三轴试验机的研制开发，对建立材料的强度理论起到可靠保证，丰富了强度理论的形成，“强度椭球”的建立，将会对材料的强度设计起到重要的指导意义。 |
