题目：材料的多维力加载试验技术及试验装备研究

材料机械性能试验与航空、冶金、机械、建筑和造船等工业部门，乃至人们的日常生活息息相关，对合理设计工程结构、节约材料、提高产品质量、改进工艺和降低成本具有重要的意义。针对目前材料试验机由单一功能、单一用途向多功能、多用途的发展趋势，本论文研究了空间多维力加载技术，研制了基于6-UPS并联机构的空间六维力材料加载试验机。具体内容如下：依据并联机构的特点，针对加载试验机的实际需求，从形式、结构等方面，研究了并联加载试验机的设计策略。基于矢量法，提出了加载试验机支链的设计方法，计算出各支链长度、支链相对于平台倾角及支链间距等重要参数。根据空间机构学理论，计算出加载试验机动平台输出载荷与各个支链输出载荷之间的关系，利用有限元仿真对关键零部件进行了静力学校核，进而确定了关键零部件的尺寸，完成了加载试验机的样机研制。基于数值搜索理论提出了针对6-UPS材料加载试验机工作空间的边界搜索法，在精确计算加载试验机工作空间的同时，大大提高了搜索的效率。在对试验机进行运动学和动力学分析的基础上，计算得到支链驱动部件的静刚度和支链固定部件静刚度，建立了整机的静刚度模型，经简化，得到静刚度矩阵。另外，针对加载试验机最小静刚度的要求，提出了一种包括最大特征值，最小特征值和刚度矩阵条件数在内的刚度标准，而且利用刚度矩阵特征向量分解值，提出了刚度矩阵特征向量的物理解释。通过运动学反解将动平台虚轴空间里的运动量转化到各个支链的实轴空间运动。利用S型PVT插补法对各支链运动轨迹进行规划。力控制的实现，是研究的核心内容，也是材料加载试验机力控制的关键。根据基于速度环的显力控制方法，提出了加载试验机六自由度加载功能的实现方法，确定了加载试验机多维力加载的基础，最后通过试验的方法优化了所选用的策略，实现了力控制的目标。详细介绍了整个加载试验机的硬件组成和软件组成。硬件部分重点介绍了硬件布置及为增强设备的电磁兼容性能而采取的相应措施。软件系统包括运动控制模块、力控制模块及辅助模块，针对不同模块中的功能，介绍了其各自的特点及使用方法。提出了并联机构的拆分序列标定法，试验证明了该方法的实用性与可靠性。通过对加载试验机误差建模，得到了需要标定零部件，然后依次利用激光干涉仪对支链伸长误差进行了测量并补偿。接着使用激光跟踪仪利用基于奇异值分解法的最小二乘法对整个试验机进行了拆分序列标定，最终建立了试验机的动坐标系和静坐标系，完成了运动学标定。通过单支链加载线性度试验、力重复性试验，以及利用多通道测力仪对加载试验机进行加载综合性能的标定，为加载试验奠定了基础。研究表明，6-UPS材料加载试验机在材料试验领域具有明显的先进性，它可实现普通材料试验机所能完成的单向拉伸、扭转及弯曲试验，也可以同时完成多个自由度的多维力加载试验，并且还可以通过调整6-UPS加载机构来实现对不同形状材料或者承力零部件的加载。试验发现，退火后的LY12材料的拉伸屈服极限和扭转屈服极限与第四强度理论更为接近，与第三强度理论差距较大，论文对此进行了探讨。