金属基材料疲劳特性测试系统研究及实现

金属基材料疲劳特性测试系统研究及实现金属基材料疲劳特性测试系统研究及实现 藝 专业硕士学位论文 金属基材料疲劳特性测试系统研究及 实现 仝小龙 指导教师 张立广 副教授 弓长健康 焉级工程师 学位名称工程硕士专业领域名称控制工程 学 习形式全曰制 年 月 曰 专业硕士学位 论文 金属基材料疲劳特性测试系统研究及实现 仝小龙 指导教师 张立广 副教授 张健康 高级工程师 学位名 称 工程硕士 专业领域名称 控制工程 学习形式 全曰制 年 月 日 金属基材料疲劳特性测试系统研究及 实现 学科控制工程 研宄生签字 学校导师签字 企 业导师銘術讀康 摘要 金属基复合材料是一种新型复合材料 具有横向及剪切强度高 疲劳力学性能好的特 点 在航空航 天 机械制造 汽车 医疗器械等领域有很广泛的应用前景 现阶段 金属 基复合材料的应用还存在许多问题 制造工艺复杂 造价昂贵等问题导致该材料难以在工 业生产中 大规模使用 为了更好的改进材料的生产制造工艺 降低材料的使用成本 提高 材料的性能 科研人员需要更加深入的研宄金属基复合材料的 特性 因此需要研制相适应 的疲劳特性测试系统 帮助科研人员对金 属基材料的疲劳特性进行测试 本文主要研宄内容是金属基材料疲劳特性测试系统的设计和实 现 课题的主要任务是 为疲劳测试系统设计配套的电气和控制 部分 根据工艺流程和控制指标 进行总体方案的 设计 具体的设计可分为硬件设计和软件设计两个部分 硬件部分主要包括系统的主回路 和控制回路 软件部分主要包括上位机监控界面 下位机逻辑控制和运动控制 在总体方 案的指导下 设计系统主回路和控制回路的电气原理 图 根据试验工艺流程 设计下位机 程序控制流程和上位机监控界 面 针对热机械疲劳试验中出现的应力控制需求 提出了利用模型 预测控制算法进行应力 闭环控制的方案 根据试验机应力加载特点进行需求分析 确定控制策略 进行算法 理论 研宄 根据控制对象和系统结构建立数学模型 研宄模型预测控制在应力 控制中的应用 通过计算机仿真和试验测试进行系统控制参数的确定 应力闭环控制部分利用 仿真 验证了模型预测控 制算法对于快速响应系统的控制效果 仿真数据显示 系统加入 预测算法后的调节时间较之前减少 控制误差由 减少到 最后 利用一步模 型预测控制方案 进行算法的软件实现 并 在试验机上进行控制效果验证 将模型预测控制优化改进后 应用在系统的应力闭环控制中 实际应用结果显示 该 算法可以很好的控制试验系统应力的加 载 其控制精度也能达到设计指标要求 本设计最 终完成了金属基疲劳特性测试系统的设计 并通过了 使用单位的验收 各项工艺流程和技 术指标均符合要求 关键词疲劳测试系统 应力控制 模型预测控制 算法实现 目录 选题背景及意义 国内外研宄现状 拉力试验机研宄现状 模型预测控制 算法研宄现状 论文结构及研宄内容 总体 方案设计 系统简介 技术指标 试验工艺流程 总体方案设计 系统结构 控制方案 控制功能分析 上位机软件功能分析 安全和可靠性设计 本章小结 电气控制部分设计 主回路电气原理 设计 控制回路电气原理设计 操 作台控制面板设计 下位机控制功能结构 下位机控制器设计 运动控芾 设计 应力和温度控制设计 本章小结 应力控制算法研究 算法实现分析 抗温度扰动 应力控制系统 超前控制 应力控制算法 预测模型 滚动优 化 反馈校正 应力控制算法 仿真验证 应力控制算法实现 模型参数确定 应力控制算法实现 控制效果分析 本章小结 系统软件设计 控制器软件设计 顺控功能图结构 主程序设计 抗氧化试验 冷热疲劳试验 热机械疲劳试验 浸铝试验 上位机软件设计 主监控界 面设计 调试界面设计 报警信息管理 用户权限管理 数据存储与显示 本章小结 系 统调试及实现 控制部分软硬件调试 上位机调试 监控界面调试 安全可靠性调试 操作面板和监控界 面联调 现场调试遇到的主要问题及解决方法 本章小结 总结与展望 關 顧 爐 附录 附录 攻读硕士学位期间发表的论 文 学位论文知识产权声明 学位论文独创性声明 绪论 绪论 金属基复合材料是以金属及其合金为基体 与一种或 几种金属或非金属增强相人工结 合成的复合材料 该材料是一种新型材料 具有很高的比强度 比刚度 同时具有良 好 的抗疲劳 减震性能 这种材料被广泛应用在航空航天工业中大型的 重量轻的结构材料 像巨型火箭 远距离通信天线 波音 大型运输机以及 宇航飞行器等 同时在建筑 机械 汽车 新能源 生物工程 医疗器械和海 洋工程等领域 这种材料具有更加广泛的 应用前景 新材料研究是推动国家基础工业发展的有力推手 金属基复合 材料是其中重要的组成 部分 金属基复合材料疲劳特性研宄是新材料研宄的一条必经之路 金属材料的疲劳特性 主要包括高周疲劳 低周疲劳 热疲劳 腐蚀疲劳和接触疲劳等 为了方便科研人员对 各种新研发材料进行疲劳特效的测试 本 课题研宄设计了 套可以满足金属基材料疲劳特 性测试功 能的试验系统 选题背景及意义 金属基复合材料是一种新型的复合 材料 对材料的机械 氧化 疲劳 腐蚀等性能的 研宄还有很 大的发展空间 尤其是这些材料还被应用在飞机发动机等航空工业领域 对 于 其疲劳特性的测试显得尤为重要 金属基材料疲劳特性测试系统 以下简称疲劳测试系统或疲劳 试验机 主要用于测定 金属基材料 金属材料 非金属材料及 其构件抗氧化试验 冷热疲劳试验 热机械疲劳试 验和铝液浸 蚀试验等 金属基材料疲劳特性的测试通过疲劳试验机模拟材料的使用工况 检测材料的特定工况下的特性变化 方便科研人员研发出更加 贴合工程需要的材料 改进 材料的生产工艺 金属基复合材料是一种纤维增强复合材料 其本身的纤维强度 较大 在小载荷的情况 下一些强度低的纤维可能会发生断裂 从而导 致材料在断裂附近承受的载荷更大 材料产 生热塑性形变 为了准确评估纤维断裂处所承受的载荷 正确把握材料的损伤演化 规律 预估材料的强度和疲劳寿命的力学特性 通过疲劳试验 机进行疲劳特性测试 可以从破坏 机理上理解预测材料的实效 破坏惜况 疲劳特性测试金属基材料的理论研究和实际应用中 强度的预测 都有非常重耍的意义 金属基复合材料是以金属或合金作为基体 以不同的纤维材料 作为其增强物的复合材 料 这种材料和普通的金属材料在损伤断裂机理 损伤特征等方面具有 很大的不同 金属 材料的破坏机理是在试件开裂时出现一条主裂纹 当裂纹 扩展到某一临界值时会突然失稳 破坏 而金属基复合材料是在构件的高应力作用下发生严重的损伤变形 这两种不同的损 伤机理 导致两种材料在力学特性上有很大的 差异 具体表现在金属基材料的塑形区比普 西安工业大学专 业硕士学位论文 通金属材料大 使得金属基材料的强度大 对应力的响应速度更快 在应力控制中 金属基材料的应力动态响应速度更快 弹性模 量更大 金属基材料特 殊的力学性能 使得传统的金属材料热机械疲劳 特性测试系统难以满足其试验要求 需要 开发与之相适应的试验系统 才能满足金属基材料在力学 特性研宄和工程应用中的试验需 求 国内外研究现状 现阶段 金属基材料疲劳测试系统 的研究主要是材料的力学特性或者温度特性的研宄 很少有综 合性试验设备可以实现材料的力学特性和温度特性叠加试验 分幵进行应力和温 度疲劳特性试验使得试验时间加长 又难以 分析两组试验在耦合环境下的材料疲劳性能 由于目前国内外对于材料疲劳特性测试试验机多为单一性能的 测试系统 几乎没有相关文 献作为参考 国内关于热机械疲劳试验设备的相关参考文献较少 缺乏必要的研 宄条件 因此本文研宄现状分析主要以拉力试验机为重要研宄 对象 结合金属基材料疲劳特性测试 系统的研宄内容 本文主要从拉力试验机和控制算法研宄两个方面分析现阶段的研宄 现状 拉力试验机研宄现状 人类自古以来就有对材料 测试的需求 从古人搭建木制房屋到现代人生产的钢制桥梁 无一不需要进行材料力学性能的测试 古人的科学水平有限 只能以定性的方法研宄材 料的力学特性 随着科学技术的发展 现代人掌握了定量研宄的方法 材料力学特性研宄 中 拉压力的测试是一个非常重要的手段 十八世纪的欧洲 出现了第一台拉力试验机 该试验机利用杠杆原理制成 是一种机械加载试验机 这种试验机功能单一 操作方式简 单 但其测试的稳定性和精 确性都比较差 年 英国出现了第一款杠杆重锤式试验 机 年 英国一家公司又生产了螺杆架式试验机 二十世纪初期 又出现了液 压式加载试验机 液压式加载试验机具有承载负荷大 加载速度快 操作方式简单的 特点 这一时期 瑞士的 公司开发了利用液压技术对试 件进行压力加载的液压式万能试 验机 但这种试验机仍无法满 足应力控制的精确性要求 二十世纪四十年代 电力驱 动技术的日趋成熟 越来越多采用 电动机丝杠驱动的试验机出现在公众的视野 这种 驱动方式的变化相对于机械式加载试机有了质的飞跃 电机驱动技术使得试验机的结构更 加简单 可以实现加载速度 的动态调整 负荷加载也更加平稳 直到上世纪七八十年代 电子技术和计算机技术的发展 使得 试验机行业发生了历史性巨变 试验机的功能也 变得更加丰富 加载精度也得到进一步的提高 各种传感器 仪表显示器件在试验机上的 应用 使得试验机的 操作变得更加直观 近些年 计算机和伺服电机技术的发展 也使得 疲劳试验的方 式由以前的手动 半自动化向自动化方向迈进 试验机驱动和控制方式的变 革 离不开行业内各大技术厂家的 支持 日本岛津公司 德国申科公司 美国 公司 等都是试验机 行业非常出色的厂家 我国的试验机行业起步比较晚 最早拉力试验机出现在上世纪 年代初期 当时国 绪论 内试验机的生产 和使用厂家基本都是国营企业 随着改革开放的发展 拉力试验机也不仅 仅局限在国营单位使 用 越来越多试验机生产和应用进入了市场 更有一些企业和国外公 司合作 引进国外先进技术 对我国拉 力试验机行业的发展做出了巨大的贡献 国内比较 著名的拉力试验机生产厂家有长春试验机研宄所 济 南试验机厂和深圳新三思公司等 从拉力试验机的发展历程来看 根据负荷加载方式的不同 具 有划时代意义的试验机主要 有机械式加载试验机 液压式加载 试验机和伺服驱动式加载试验机 这三种常用的拉力 试验机性能对比如表 所示 表 常用拉力试验机性能对比 试验机类型 执行 机构 机械式 电机 离合器 减速机 经久耐用 误 差大 效率低 液压式 电机 油泵 油缸 加载负荷高 控制 方便调速范围窄 执行机构复杂 伺服驱动式 伺服电机 丝杠 调速范围广 加载平稳 从试验机的发展历史来看 试验机 的操作控制方式也随着技术的不断发展 发生着变 化 试验机的控制方式主要包括人工控制式拉力试验机 数显式拉力试 验机和计算机控制 式拉力试验机 人工控制式拉力试验机是一种早期的试验机 它主要依靠工人 的 动操作进行负荷的 加载 由于缺少现代显示仪器仪表的辅助 试验机的操作对操作人员的经 验依赖性较高 这种基本完全依靠经验的操作控制方式 难以达到一些条件比 较苛刻的试验 例 这种控 制方式难以实现恒加载速率控制和高周试验的重 复性要求 目前 这种类型的拉 试验机 已经被市场淘汰 数显式拉力试验机是一种依靠单片机控制系统完成试验过程的 产品 这种类型的试验 机多以伺服系统作为其执行机构 通过力传感 器检测试件实时受力情况与伺服控制系统形 成闭环控制 这种试验机上一般配有按键和显示装置 可以实现简中 的人机交 互功能 闭 环控制系统的加入 使得试验机可以实现加载速率的调整 控制试验的重复性 这种控制 方式可以满足试验过程的可视化 定 化试验耍求以 及一些特殊的试验方案 这些试验机 般应用于一些对试验功能要求简单 试验机生产 成本低的场合 计算机控制式试验机主要山计算机 控制器 机械加载装置和 力传感器等组成 利用 计算机程序进行试验过程的控制 这种类型的试验机具冇良好的人机交互性能 可以实现 试验实 时曲线的显示 历史试验数据的记录等功能 和数显式试验机相比较 该试验机具 有试验操作简单 动化 程度高 试验功能更加丰富 试验控制精度更高的特点 现如今 在工业试验领域 基于计算机控制式的伺服驱动式拉 力试验机具有巨大的应用空间 本课 题的核心是设计一种基于计算机控制的伺服驱动式材料疲 劳特性测试系统 西安工业大学专业硕士学位论文 模型预 测控制算法研宄现状 模型预测控制是 世纪 年代后期提 出的一种新的计算机控制算法 这是一种基于 模型预测的在线优化式控制算法 模型预测控制以预测模型作为其算法核心 根据不同的 系统输 入 通过预测模型解算出未来时刻的输出预测轨迹 结合系统参考轨迹和输出的实 测值 动态调整系统输出 力求 达到系统的最优输出控制 这种方法对系统参数模型的要 求不高 在工业生产过程中容易 测得 受到了广大设计人员的欢迎 模型预测控制具有不依赖系统精确数学模型的特点 在算法实 现过程中采用了滚动迭 代的计算方法 这些特点使得模型预测控制比其他智能控制算法有了许多难以替代 的优点 其优点主要有 基于非参数模型建立预测模型 对系统 参数辨识要求不高 便于实现 控制过程采用滚动优化和 反馈校正的方法 系统稳定性好 可以显式处理约束调整 计算过程相对简单 便于计算机实现 年 德国 公司的 提出 了 模型预测启发式控制 控制方法 这 种方法解决了一些 常规控制方法难以处理的问题 年 和 提出了 动态控 制矩阵 的预测控制 这种控制方式主要解 决有约束情况下的优化装置运行 而要计 算的输出控制是一个需要重复计算的线性规划问 题 这种控制思想是早期滚动优化的思想的萌芽 年 提出了广义预测控制 采用传统的参数模型 参数数目较少 适 用于参数易于 辨识 过程参数变化缓慢的时变控制系统 特点是将预测控制和自适 应控制结合 采用传递函数模 型来获得控制序列 这种控制方法的过程具有很大的随机性 不适合多变量约束的 控制系统 但可以应用于快速处理的动态控制系统 近些年来 模型预测控制飞速发展 其理论体系也日渐成熟 模型预测控制采用超前 预测 滚动优化 反馈校正等策略 在 一些缓慢变化的控制领域具有较好的控制效果 近 年来 模型预测控制在石油 化工 造纸等缓慢变化的工业 现场取得了较好的应用成果 其在复杂工业控制中也具有广泛 的应用前景 在模型预测控制发展中 涌现了一批优秀的 软件生产商 其中比较著名的有美国的 公司 法国的 公 司和美国的 公司等 在实际工业现场 系统模型的复杂性和实时性要求较高 现阶段应 用比较成 熟的控制主要集中在线性模型预测控制方面 实际的控制系统必然存在着非线性 线性模 型预测控制已经难 以满足实际控制的要求 因此 非线性模型预测控制成为国内外很多专 家学者的研宄方 向 模型预测控制主要应用在变化过程缓慢的工业控制领域 近年来国内外的专家学者开 始研宄将模型预测控制在非线性控 制系统和一些快速动态响应的系统 国内对这方面研宄 比较著名的有上海交通大学的席裕庚教授 浙江大学的钱积新教授以及吉林大学陈虹教授 绪论 等 他们都在国内模型预测控制领域的发展做出了重大贡献 尽管模型预测控制的非线性研究己经进入了比较成熟的阶段 但是这些研宄仅适用于 变化过程缓慢的工业控制领域 现如今 模型预测控制的理论研宄越来越成熟 但是其实 际应 用还主要在石油化工等变化过程缓慢的领域 模型预测控制在快速非线性控制系统中 的应用还比较少 大多 还处于理论研宄阶段 产生这一现象的主要原因是模型预测控制在 实际应用中还存在 许多问题 主要问题有 模型预测控制在线实时求解计算过程复杂 计 算量大 在线式计算难以实现 实际系统模型建立困难 模型建立适配会产生很大系统偏差 大多数理论分析基于 线性控制系统 但实际应用为非线性控制系统 针对现阶段模型预测控制中的问题 研宄人员不断提出新的解 决思路 提出更加优秀 的解决方案 现在段主要研宄的方向有以下几个 提高算法执行效率 简 化计算过程 减小计算量 寻找建立准确建立模型的方法 减少模型失配对系统的影响 研究非线性控制系统的算 法优化 寻找线性系统和非线性系统控制的平衡点 金属基材料的应力响应速度快 弹性模量大 导致应力控制系 统变化过程较快 超出 了传统金属材料疲劳试验系统的试验范 围 结合工程实际 本次研宄需要对系统进行线性 处理 忽略系统 的非线性问题 同时针对系统计算量大 实际控制器计算能力不足的问题 采 用部分参数离线计算 简化计算过程 实现模型预测控制在金属基 材料热机械疲劳试验 中的应力控制 论文结构及研究内容 本文从课题选题入手 从研宄 的背景和现实意义出发 结合该课题国内外研宄现状和 客户提 出工艺流程和技术指标 确定了项目总体设计方案和项目实施方案 根据课题的前 期研宄和项目的实现过程 本文将按照以下结构 进行具体的论文陈述 论文章节安排如下 第 章绪论 绪论部分从课题的研宄竹贵和项目现实意义入手 阐述了选择本课 题 的原因和目的 结合国内外研宂的现状 分析课题应该从何处入手 根据前人的研宄成果 和现阶段的研宄现状 确定了研宄的目标 和设计方案 第 章控制方案总体设计 本章根据系统的设计要求和技术指标 从总体上进行顶 层设计 明确了疲劳特性测试系统的总体结构和控制方案 第 章电气与控制部分设计 电气控制部分的研宄主要包括系统主回路的设计和控 制部分设 计 主回路包括系统配电方案的设计和控制台配电方案设计 控制部分从电气控 制回路 软件控制方案和上位机人机交互界 面三个方面入手 完成系统控制部分的设计 第 章应力控制算法研宂 针对系统中出现的在大扰动环境下 应力控制稳定性的 问题 根据系统控制要求和算法耍求 研宄模型预测控制算法在拉力闭环 控制中的应用 西安工业大学专业硕士学位论文 本章从算法理 论研宄和算法实现两个方面展开论述 第 章系统软件部分设计 本章主要根据试验流程设计下位机程序结构和上位机监 控界面 以及系统数据库的建立 第 章设备调试与算法验证 本章主要叙述设备在调试安装过程中出现的问题 提 出具有针 对性的解决方法 最后在调试完成可以稳定运行的系统上对设计的算法进行验证 第 章全文总结与展望 本章主要对测试系统实现过程和课题研宄进行总结 提出 论文 研宄的重点难点和创新点以及研宄的不足之处 结合本次论文研究的成果和国内外研 宄的现状 提出现阶段研 宄的不足之处 从理论和现实两个方面提出作者对疲劳测试系统 未来研宄方向 的观点 给出未来的研宂趋势 总体方案设计 总体方案设计 系统简介 金属基材料疲劳特性测试系统是一种材料疲劳特性检 测的设备 该系统可以模拟材料 在各种复杂工况的应用环境 用户可使用测试系统完成金属基复合材料及传统金属材料的 抗 氧化 冷热疲劳 热机械疲劳和金属液腐蚀疲劳性能的测试 疲劳试验机主要包括加热电源和试验机床两部分 疲劳试验机采用感应加热电源作为 系统的加热装置 加热装置 可以用来加热试件和化铝 感应加热电源具有调试简单 工作 可靠等优点 试验机床主要是提供试验感应器的移动以及应力的加载 机床系统分为疲劳 试验部分和浸铝试验部分 机床采用高精度伺服控制进行试件和感应器的精确移动和应力 的加载 疲劳试验机床结构主要由两部分组成 一部分专作试件的抗氧 化试验 冷热疲劳试验 及热机械疲劳试验 另一部分为试件的 铝液浸蚀试验 疲劳试验机床由床身 空芯导柱 吨梯形螺杆升降活动平 台 感应器三维调节平台 盔甲伸缩式防水护帘 拉力 压力 加载装置 金属熔炼装置 高频加热电源装置 冷却水循环 冷却系统 冷却水收集水 箱等部分组成 技术指标 根据项目前期调研得出的疲劳测试系统技 术要求和指标 进行了详细的技术方案设计 本设备为多功能机械热工参数试验设备 不对试验结果进行分 析 系统的主要试验功能要 求如下 可对径 丨 多种规格冷热疲劳试件 作循环冷热 疲劳试验 对任径 多种规格试件的高温抗 氧化试验 对试验试件进行热机械疲劳试验时 要求完成 对试验试件施加最大 的拉力 或压力载荷 可完成试验试件的浸铝疲劳试验 设备需求方根据设备场地供电要求和试验指标确定疲劳试验机 技术指标如下 整机供电为三相 总消 耗功率约为 采用高频感应加热吋的温度范围室 温 控温精度为 高频 感应加热电源的输出频率范围可在 之间 试验力范围 试验力精度为 冷热疲劳试验工况时 每分钟的试验次数可在 次 温度高时 大于 西安工业大学 专业硕士学位论文 时 次数约为 次 温度低时 以下时 次数约为