基本介紹
- 中文名：管材試驗機
- 外文名：Pipe material testing machine
- 位移解析：0.001mm
- 測試空間：測試寬度約400 mm
- 數據傳輸方式：RS232傳輸
主機規格,功能介紹,附屬檔案,三向應力管材試驗機控制研究,研究背景,功能需求分析,安全分析與設計,
主機規格
A.高精度美國傳力力量感測器: 0~100KN。
力量精度在±0.5 %以內。
B.容量分段：全程七檔：× 1，× 2，× 5，× 10，× 20，× 50，× 100。
採用高精度24 bits A/D，取樣頻率200Hz。
全程力量最大解析度 1/1000000。
C.動力系統：日本松下交流伺服電機+松下交流驅動器+蝸輪蝸桿減速機+滾珠絲桿。
D.控制系統：採用Pulse Command控制方式使控制更精準。
速度控制範圍0.001~360 mm/min。
中聯板調整具有快速粗調與慢速微調功能。
測試後自動回歸原點、自動儲存。
F.顯示方式：UTM107+WIN-XP測試軟體計算機螢幕顯示。
G.簡潔的全程一檔與精密全程七檔力量線性雙校正系統。
H.豪華測試界面軟體可實現定速度、定位移、定荷重（可設定保持時間）、定荷重、增率、定應力增率、定應變增率等控制模式加上多階控制模式可滿足不同的測試要求。
聯板行走空間950 mm（不含夾具）（標準規格）。
J.全程位移: 編碼器2500 P/R，提升4倍精度。
採用LINE DRIVE編碼器抗干擾能力較強。
小變形：金屬引伸計，解析 0.001mm。
K.安全裝置：過載緊急停機裝置、上下行程限定裝置、漏電自動斷電系統、自動斷點停機功能。
M.手控方式：可增添無線遙控裝置或手動操作盒。
功能介紹
A.測試標準模組化功能：提供使用者設定所需套用的測試標準設定，範圍涵蓋GB、ASTM、DIN、JIS、BS…等。測試標準規範。
B.試品資料：提供使用者設定所有試品數據，一次輸入數據永久重複使用。並可自行增修公式以提高測試數據契合性。
C.雙報表編輯：完全開放式使用者編輯報表，供測試者選擇自己喜好的報表格式（測試程式新增內建EXCEL報表、編輯功能擴展了以往單一專業報表的格局）
D.各長度、力量單位、顯示位數採用動態互換方式，力量單位T、Kg、N、KN、g、lb，變形單位mm、cm、inch。
E. 圖形曲線尺度自動最佳化Auto Scale，可使圖形以最佳尺度顯示。並可於測試中實時圖形動態切換。具有荷重-位移、荷重-時間、位移-時間、應力-應變荷重-2點延伸圖，以及多曲線對比。
F.測試結果可以EXCEL格式的數據形式輸出。
H.多種語言隨機切換：簡體中文、繁體中文、英文。
I.軟體具有歷史測試數據演示功能。
附屬檔案
A. 管材拉力試驗機一年保固書及中文操作說明書各一份。
B. 隨機贈送標準管材拉力試驗機夾具一組（其他夾具選購）。
C. 管材拉力試驗機專用測試軟體一份。
D. 品牌電腦一套、彩色印表機一台。
三向應力管材試驗機控制研究
研究背景
自從第一次工業革命以來，材料試驗技術和材料試驗機製造工業從萌芽到發展到成熟，已經經歷了兩個世紀的發展過程。隨著工業生產和科學技術對材料性能的要求越來越苛刻，試驗機的研究投入也越來越多。特別是第二次世界大戰結束以後，越來越多的新材料的被發現或被合成出來，鑒於新材料的性能的探索以及對新產品的試驗需求，各種材料試驗機也不斷的改進和發展。
然後隨著試驗機的發展，對材料進行拉伸、壓縮、剪下、扭轉試驗以及疲勞等試驗的試驗機也逐漸被研製出來，萬能試驗機集以上各種功能於一體，使新材料的測試周期縮短，參數更加準確。接下來人們對材料的載入也不再局限於單方向的載入了，具備彎扭、拉扭聯合載入，雙拉、雙壓、拉壓聯合載入等載入方式的試驗機也逐漸被發明，因此在實驗室環境下得到的試驗結果能夠更好真實的反應實際受力狀況，試驗數據對工程的指導意義也越來越大。
通常稱在複雜應力狀態下材料開始塑性變形（初始屈服）與塑性變形繼續進行（後繼強化屈服）必須滿足的條件為屈服準則。在一定的變形條件（變形溫度、變形速度等）下，只有當各應力分量之間符合一定關係時，材料才會進入塑性狀態，這種關係即為屈服準則，對材料成型工藝有很大指導作用。
對屈服準則的研究已有150多年的時間，發展已有一些成熟的理論如Tresca屈服準則、Mises屈服準則、Hill系列屈服準則、Hosford系列屈服準則和Banabic系列屈服準則。如此多的理論結果使對材料屈服行為的描述更加準確，但是某一種材料更符合哪一個準則，還需要進行數學模擬、實驗驗證。不同的複合應力的實現也需要不同的試驗機來載入，若市場上沒有能滿足要求的試驗機，就需要自行設計專用試驗機。
圖1 兩向應力載入受力狀態
圖1 兩向應力載入受力狀態功能需求分析
技術要求系統能實現對管材進行軸向力、內壓力和外壓力三個方向上的複合載入，並實現工藝曲線載入、卸載和保壓等功能。如果滿足以上的功能需求，試驗機還可以實現管材的單軸向壓縮試驗，純脹形試驗等功能。而實際工作過程所分析的點在管材中部、壁厚的中間層處，以兩種工作模式工作。第一種為兩向應力複合載入，即軸向力與內壓複合載入和軸向力與外壓複合載入，管材內的微元的受力狀態為軸向壓應力和環向拉、壓應力，徑向應力比較小可以忽略，研究的是6063鋁合金管在第三象限和第四象限的屈服軌跡，受力狀態如圖1所示，其中x為軸向，y為徑向，z為環向；第二種為三向應力載入，管材內的微元的受力狀態為軸向壓應力，環向拉、壓應力和徑向壓應力，研究的是6063鋁合金管的球面屈服軌跡，受力狀態如圖2所示。
圖2 三向應力載入受力狀態
圖2 三向應力載入受力狀態安全分析與設計
由於試驗中的最大應變數可以達到15%，在載入末期，管材很容易發生失效，尤其是發生脹破失效時高壓液體外泄，具有一定的殺傷力。為保證實驗的安全性，必須預測管材的可能失效情況，並制定相應的應急措施，如機械限位，到限提前報警等方法，以避免造成人生傷害和財產損失。當軸向力起主導作用時，主要失效形式為彎曲失穩和局部起皺後壓潰，如圖3(a)軸向力較大時對管材的補料作用使壁厚增加，內外腔室不易被破壞，所以在該種工況下載入時管材失效帶來的後果是液壓缸突然前沖，由於沖頭上有乳化液管的接頭，可能會將接頭卡扁或直接被切斷，繼而乳化液外噴。所以從安全上考慮應在接頭前端設定機械限位，限位塊使用牛筋橡膠等具有一定彈性的材料來吸收衝擊力，另外在程式中也要設定提醒框，當軸向位移走到一定位置時，提醒用戶停止載入或謹慎處理。
圖3 管材失效照片
圖3 管材失效照片當內壓力起主導作用時，主要失效形式為脹破，如圖3(b)塑性較好的6063鋁合金管在脹破時一般會在壁厚減薄處裂開一個小縫，高壓乳化液由此處噴出，由於壓力較高，對周圍環境中的人和物造成傷害，由於內壓腔室外還有強度較高的外壓腔，一般不會噴到外面，為了安全在外層蓋一層防護罩。增壓器的閥塊上安裝了截止閥，從程式控制方面立即關閉截止閥，停止增壓器工作。當外壓力起主導作用時，主要失效形式為管材內凹壓潰，壓潰同時管壁可能發生開裂，使內外壓腔連通，若內外壓相差較大會引起較大的脈動，若在系統承載範圍內載入不會造成危險。程式方面同內增壓器的程式處理方式，關閉截止閥。
另外，當發生內壓或外壓引起的失效時，內壓或外壓的瞬間消失的同時，由壓力引起的軸向液壓反力也隨之消失，軸向液壓缸無法再失效瞬間立即減小軸向力，那么此時管材所受的軸向力就是原來的需要載入的軸向力和液壓反力之和，在載入比例係數減小時（內外壓為主要載入力），軸向瞬間增加的載入力也有可能使試件軸向彎曲，即發生連鎖效應。
