熱機械應力施加裝置的設計分析

蔡昊旻

【摘 要】隨著我國經濟水平的不斷提升和汽車行業整體水平的不斷進步，熱機械應力施加裝置的設計分析在汽車制造過程中得到了越來越廣泛的關注。本文從一些方面出發，對熱機械應力施加裝置的設計進行了分析。

【關鍵詞】熱機械；應力施加裝置；設計分析

0 概述

汽車工業是在第二次工業革命中興起的重要工業，隨著百余年間時代的不斷進步和科學、社會、經濟等各個領域的不斷發展，汽車工業的整體發展迅速變得越來越快。在這之中我國的汽車工業雖然相比西方國家起步較晚并且發展起點較低，但是仍然具有很快的發展速度并且得到了良好的發展。除此之外，隨著人們生活水平的不斷提高和個人生活質量的持續進步，許多人對汽車的要求也不僅僅限于代步工具上，并且對汽車的質量也提出了更高的要求。因此在這種大前提下，世界各國的汽車制造商就開始在汽車工業中通過廣泛應用以鋁代鋼技術來提升汽車零件和鑄件的強度和韌性，從而在整體上汽車的可靠性和安全性。在這一過程中也同步提升了汽車零件和鑄件的微觀組織結構整體強度。但是與此同時應當發現，由于目前在汽車工業中得到了了廣泛應用的大型加力裝置會對其小型試樣及汽車內部材料產生較為嚴重的損害，因此在汽車熱機械應力施加裝置的設計過程中許多生產廠商和設計人員開始注重減少小型試樣的受力、并且對裝置的加工流程進行簡化，從而在此基礎上促進熱機械應力施加裝置的成本更加低廉并且裝置制造變得更為可控。因此遵循著這一設計思路汽車生產廠商和設計人員開始進行熱機械應力施加裝置的相應實驗來對其制造進行簡化，并且在此基礎上對其初步的試驗效果進行分析。在這一過程中汽車生產廠商和設計人員需要對其進行深刻的了解并且對熱機械應力施加裝置的整體設計思路有著清晰的認識，并且對彈簧、螺栓等熱機械應力施加裝置的主要零部件進行合理的設計與選擇。另外需要對熱機械應力施加裝置其他部件進行靈活、高校的設計，同時在設計的基礎上對熱機械應力施加裝置進行相應的實驗和結果分析，從而有效判定其試樣受力大小及其彈簧的壓縮量是否滿足實驗的設計要求和汽車的實際應用，最終為該裝置在汽車中實際應用水平的提升奠定良好的基礎。

熱機械應力施加裝置的設計最早起源于以鋁代鋼技術。眾所周知近年來隨著汽車行業整體水平的持續提升，以鋁代鋼技術在汽車行業中得到了越來越廣泛的應用，并且鋁代鋼技術的應用對于汽車鋁合金鑄件可靠性和鑄件的微觀組織結構的完整性都有著較為重要的提升。但是在這一過程中更好地為了獲得具有較強優越性的綜合性能合金，工作人員需要對鋁合金鑄件進行相應的設計、分析、加工、處理等工作。在這些工作的基礎上工作人員可以通過相應的研究可以對熱機械應力施加裝置的生產工藝進行合理的優化，并且通過這些優化對汽車的實際生產進行更加有效的知道。例如，工作人員在熱機械應力施加裝置的設計分析過程中可以通過研究在不同擠壓情況和不同拉伸力情況下鋁合金組織的具體性能變化來有效提升汽車中鋁合金的整體性能。除此之外，熱機械應力施加裝置設計分析的進行還能促進汽車鋁合金在機械熱應力作用下性能得到合理提升和變化，并且根據這一原理對應力施加裝置進行設計。眾所周知，在現在的汽車工業中較為常用的汽車加力裝置往往是大型高溫材料試驗機或者是大型高溫型液壓機。這些大型的汽車加力裝置往往會對汽車材料產生較為嚴重的拉伸現象和壓縮現象，在這些現象的影響下汽車材料可能會出現較為嚴重的變形問題，這一問題會在較大程度上影響到汽車零件的靈活性和便捷性，并且對汽車設計的完善程度也產生較為嚴重的影響，并且大型的汽車加力裝置的投資往往也較大巨大同時使用容錯率較低，一旦出現使用問題和故障則型的汽車加力裝置的維修耗費時間較長同時維修成本也較為巨大。因此根據汽車熱機械應力實驗的具體要求，工作人員應當注重使用較為簡單同時價格相對便宜的設備和材料來進行應力試驗，同時將試驗結果進行相關規定的研究。例如由于汽車材料的受力能力較小，因此在受到較強應力影響的情況下回產生一定程度的變形（如圖1）。根據這一情況工作人員應當將產生受力后的試樣和加力裝置一起進行試驗。除此之外，工作人員在進行熱機械應力施加裝置的設計分析過程中應當考慮到不同的設計情況，從而在此基礎上提升熱機械應力施加裝置的簡易性和靈活性、并且有效控制其造價同時使其能夠有效滿足相應的實驗要求。以鋁臺金鑄件為例子，當在鋁臺金鑄件的研究過程中通過熱機械應力施加裝置工作人員可以對鋁臺金鑄件自身進行優化改進，從而有效提升鋁臺金鑄件在不同熱力情況和擠壓情況下的強度變化、韌性變化和性能變化。因此在我國現今的汽車工業中新型熱機械應力施加裝置的設計和分析取得了良好的實踐效果并且使得汽車的價格變得越來越便宜同時提升了汽車設計的靈活性和使用的簡易性，最終極大程度上提升了汽車的使用范圍。

1 熱機械應力施加裝置設計方案

設計方案對于熱機械應力施加裝置的設計分析的重要性是不言而喻的。由于上文已經敘述過熱機械應力施加裝置的設計會朝著小型的方向發展，從而有效減少對汽車材料和汽車零件的損害，因此在熱機械應力施加裝置的設計過程中工作人員通過對熱機械應力施加裝置進行調節可以有效使試樣受到不同程度的應力并且對這一應力的大小進行及時的改變。并且考慮到熱機械應力施加裝置的特殊性，工作人員在設計方案的制定過程中應當注重提升方案的簡易性和可靠性并且確保熱機械應力施加裝置的尺寸得到合理控制同時熱機械應力施加裝置的的整體設計較為可靠并且裝置的結構較為緊湊與此同時能夠進行相對便利的維修。因此在熱機械應力施加裝置的設計過程中工作人員應當首先注重確保熱機械應力施加裝置保溫爐爐膛內的工作空間。其次需要確保這一試樣在加力裝置的運行過程中能夠保證一定的穩固性同時不會產生不滑移現象，因此使零件能夠接受較為均勻的受力。并且在工作人員應當確保熱機械應力施加裝置能夠承受280℃左右的高溫環境。因此在構思熱機械應力施加裝置設計方案過程中工作人員需要對裝置內部的螺旋彈簧、壓樣桿、底板、刻度等重要部分進行合理的檢查，在這之后將試樣進行放置同時將一定的作用力施加在試樣上面從而使其進行向下位移同時促使彈簧壓縮從而產生彈力。并且由于在彈簧推力的作用下試樣會持續向下移動，因此這意味著試樣受到了均勻壓力的影響（如圖2）。在這一基礎上工作人員通過對壓樣桿中指針刻度的變化進行觀測能夠合理計算出螺旋彈簧的壓縮量，并且更進一步計算出試樣的具體受力大小。例如，如果在熱機械應力施加裝置的設計過程中試樣的截面積在80mm2左右，則根據相應的計算公式可以得出試樣在常溫情況下應當接受2MPa的應力影響。如果當試樣的受力情況在200N左右則其彈簧剛度應當控制在16N/mm左右。由于通過上文可以得知當工作人員對試樣施加不同的應力后試樣會受到不同程度的影響。因此相比其它的熱機械應力施加裝置，這一設計方案具有使用材料較少、設備相對建議、設計成本低廉等優越性。從而在根本上減少了繁瑣并且復雜的零部件，并且有效提升了熱機械應力施加裝置的穩定性和可靠性并且使得熱機械應力施加裝置的裝配更加便利與此同時更加適合于小型試驗的具體應用。另外，由于熱機械應力施加裝置的對象通常是小型試樣，因此工作人員在熱機械應力施加裝置的設計過程中應當注重提升裝置尺寸、裝置結構的合理性，即促使熱機械應力施加裝置的結構相對緊湊并且尺寸大小適宜，同時整體裝配相對簡便，最終促使汽車整體穩定性、靈活性、可靠性得到持續性的提升。

2 熱機械應力施加裝置零部件設計

在熱機械應力施加裝置的設計分析過程中零部件的設計的有效進行有著極為重要的意義。這主要體現在彈簧設計、設計前提、參數計算、剛度測量等環節。以下從幾個方面出發，對熱機械應力施加裝置零部件的設計進行了分析。

2.1 彈簧設計

彈簧設計是熱機械應力施加裝置零部件設計的基礎和前提，由于在熱機械應力施加裝置中其彈簧的種類較多，因此其設計存在一定的差異性。例如在圓柱螺旋彈簧的設計過程中工作人員應當注重根據截面的不同選擇不同的設計方案。又例如，圓柱螺旋彈簧通常分為圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧和矩形截面圓柱螺旋彈簧以及扁形螺旋圓柱彈簧。在這些不同類型的彈簧設計過程中工作人員應當根據其特性的不同選擇不同的設計方案。由于圓形截面圓柱螺旋具有剛度較強、穩定性好、結構簡單、制造便利等特性，因此在熱機械應力施加裝置中往往承擔著緩沖、減震、儲能、控制等功能。而與此相對的是矩形截面圓柱螺旋彈簧的具有較好的吸收能量的特性，因此往往在熱機械應力施加裝置中用來吸收熱量。而扁形截面的螺旋彈簧具有更好的壓縮量，因此在發動機閥門機構和離合器制造、自動變速器等安裝等領域有著非常良好的應用。

2.2 設計前提

設計前提對于熱機械應力施加裝置零部件設計有著極為重要的影響。通常來說熱機械應力施加裝置零件的設計往往會受到原始條件的影響，即當原始條件中彈簧的最小工作載荷在20N并且最大工作載荷在500N左右時，由于結構因素就會對彈簧的中徑數值和彈簧的直徑數值以及彈簧的自由高度產生較為明顯的影響。除此之外，在熱機械應力施加裝置零件的設計前提確定過中工作人員應當確保材料的選擇符合設計需求。從而使得彈簧能夠承受足夠的載荷并且能夠承受相應的沖擊。并且在設計前提的確定過程中工作人員應當注重保持彈簧制造的工藝精密性。這種良好的工藝精密性能夠使得彈簧具有較好的抗疲勞強度，即在汽車長時間運行時仍然能夠保持較高的零件強度并且能夠較好的滿足汽車的運行需求和工作需求。

2.3 參數計算

參數計算對于熱機械應力施加裝置零部件設計的重要性是不言而喻的。在零件參數的計算過程中工作人員應當注重原始條件假定的正確性，從而在此基礎上確保公式的正確性。在這之后工作人員應當通過驗算來確保彈簧材料的直徑等參數的計算是正確并且精確的。除此之外，在彈簧的參數計算工作過程中，由于其所受到基本載荷和循環載荷的影響較小。因此在這一前提下彈簧工作的極限載荷參數可以通過相應的計算公式進行計算并且得出。另外，在這一過程中工作人員應當注重彈簧有效圈數、彈簧剛度等參數（如圖3）計算精確性的提升，例如在某個熱機械應力施加裝置零部件設計過程中工作人員通過相應公式可以算作該裝置的彈簧有效圈數為9圈。并且與此相對應的是的彈簧穩定性和高徑比這一參數的聯系較為緊密。因此在這些參數的計算過程中工作人員應當注重保持參數的關聯性，而在這些關聯性參數的計算過程中工作人員需要進行參數穩定性的驗算。最終促進熱機械應力施加裝置零部件設計精確性的有效提升。

2.4 剛度測量

剛度測量是熱機械應力施加裝置零部件設計的重中之重。根據相關物理學定義，彈簧的剛度往往是指載荷增量與變形增量之間的比值，即在產生單位變形過程中所需要的載荷。在熱機械應力施加裝置中其彈簧的剛度具有線為漸增的特性，即熱機械應力施加裝置中的彈簧剛度會隨著載荷的增加而不斷增大。但是也存在部分直線型的彈簧，即這些彈簧的剛度不會隨著載荷的變化而產生變化，即熱機械應力施加裝置中的剛度始終是一個常數。在熱機械應力施加裝置的剛度測量過程中工作人員需要通過適當的計算來確定彈簧的具體參數。例如在彈簧載荷發生變化時其記錄其變形量數據，然后根據這兩個數據算出相應的彈簧剛度。由于彈簧剛度測量需要在彈簧設計、參數計算等工作完成后進行，因此在彈簧的剛度計算過程中工作人員需要進行兩組的對比測量，通過兩組測量數據的有效對比進行較為有效的判斷。如果判斷其基本情況符合則可以進行圓柱螺旋彈簧的剛度測量，然后在剛度測量的基礎上通過高溫測量的進行對可以對高溫情況下剛度的具體情況進行有效的分析，即對彈簧的具體穩定性進行更加有效的判定。最終得出該彈簧符合熱機械應力施加裝置的設計條件，即有效提升彈簧等重要零件的設計合理性。

3 熱機械應力施加裝置其他部件設計

除了彈簧等重要零件的設計，在熱機械應力施加裝置的設計分析過程中其他部件設計的合理進行也是提升裝置有效性、合理性的重要內容。由于熱機械應力施加裝置在不同溫度和不同震動載荷作用的影響下會出現不同的運行狀態，因此在熱機械應力施加裝置其他部件的設計過程中工作人員應當注重根據溫度和載荷函數的關系來進行設計工作。這一關系主要體現在熱機械應力施加裝置的園片、薄膜等零件的設計過程中。除此之外，在熱機械應力施加裝置其他部件的設計過程中工作人員可以通過壓縮、針入、拉伸、彎曲等方式對試樣進行載荷的施加。與此同時當試樣的長度出現較為明顯的變化時，工作人員可以差連同溫度、應力數據和應變數據對其進行分析，在分析的基礎上進行相應零件的有效設計。另外，由于熱機械應力施加裝置具有高精度要求因此在設計過程中工作人員應當注重確保足夠的測量范圍并且對應力、應變控制技術進行有效應用同時采用線型載荷模式，用以測量試樣的動態力學性能和最大載重分析。例如為了更加有效的確保彈簧在壓樣桿上能夠進行較為靈活的運動，工作人員在進行熱機械應力施加裝置的設計時應當注重滿足壓樣桿的具體直徑和彈簧外徑能夠較好的進行契合，這也較為集中的體現在了小端直徑會稍微小于彈簧的內徑。另外，在熱機械應力施加裝置的設計過程中工作人員可以將下底板和彈簧進行相同尺寸的設計，這種設計方案能夠促使熱機械應力施加裝置顯得更加上下對稱同時結構更加簡單，因此在實驗過程中能夠更好地簡化工作人員的操作。在進行加力螺栓的選擇時，工作人員應當注重考慮到底板面積和保溫爐的具體尺寸，從而使得這一型號的加力螺栓能夠有效滿足熱機械應力施加裝置的具體設計要求。除此之外，工作人員通過熱機械應力施加裝置其他零部件進行合理的設計、選用和裝配，能夠有效提升熱機械應力施加裝置的整體性能。例如其他零部件進行合理設計的進行能夠使得汽車零部件在運行過程中能夠保持較好的靈活性和自由行，同時受到應力和阻力的影響能夠相對減少。并且在機械應力施加裝置的設計分析過程中工作人員往往需要具體考慮保溫爐的尺寸和底板面積的大小并且通過計算滿足設計要求，從而在這些零件設計完畢后工作人員可以將其取出后進行觀察從而進一步分析研究鋁合金材料在不同熱機械應力作用下的具體變化情況。

4 熱機械應力施加裝置實驗及結果分析

熱機械應力施加裝置實驗及效果分析是熱機械應力施加裝置的設計分析的重中之重。工作人員可以通過對進行應力加力后的鋁合金試樣進行微觀觀察和組織結構分析和性能檢測來對試樣進行效果分析。在這一過程中由于鋁合金試樣在進行截取時就存在大小各異、形狀不同的情況，因此工作人員在對熱機械應力施加裝置進行載荷實驗的過程中應當確保試樣所承受的應力和彈簧的壓縮量是不同的。在這一前提下為了更好地驗證不同載荷情況下試樣的應力承受情況和熱機械應力施加裝置能否較好的滿足設計要求，工作人員可以將不同的試樣進行分組，即將5個實驗用試樣劃分為A、B、C、D、E五個分組并且對每個試樣進行不同的加力分析。在加力分析的過程中為了提升相關計算的便捷性，工作人員應當注重盡可能的將試樣先加工成為棱柱，然后在此基礎上對其截面積進行測量和計算。通過這一加工方法和計算方法工作人員可以對熱機械應力施加裝置的試樣進行1MPa-6MPa 的不同程度的載荷，并且根據在不同載荷情況下試樣的截面積變化的具體情況和相應的彈簧壓縮量來對計算結果進行分析。在這一過程中工作人員可以將熱機械應力施加裝置的彈簧的最大受力情況設定為580N，并且將其的最小受力情況設定為50N。在這種受力情況下熱機械應力施加裝置的彈簧最大壓縮量應當在50mm左右。通過上文的實驗工作人員可以發現試樣的具體受力大小和彈簧的具體壓縮量會對實驗效果分析產生較為明顯的影響，即工作人員可以在改變試樣的具體受力大小和彈簧的具體壓縮量來對實驗結果和實驗效果進行影響。例如根據相關設計要求工作人員在利用熱機械應力施加裝置進行試樣加力過程中可以對這一裝置的實驗結果進行分析，從而為接下來更深層次的相關實驗研究奠定良好的基礎。例如不同熱機械應力作用下鋁合金材料試樣微觀組變化情況和性能變化情況以及強度變化情況的研究就需要熱機械應力施加裝置實驗結果的支持。另外，由于在熱機械應力施加裝置實驗過程中小型試樣的截取形狀往往存在較大差異并且不同的熱機械應力施加裝置存在不同的載荷情況，工作人員在結果分析過程中應當對存在的實驗誤差進行有效的分析，從而減少實驗過程中必然存在的誤差給實驗結果帶來較大的影響。例如在熱機械應力施加裝置實驗的實驗過程中某個裝置的彈簧最大受力和設計時出現了一定差異，在這種差異下得到的彈簧最大壓縮量必然存在一定的誤差，這也對接下來的實驗和計算產生了較為明顯的影響。因此在熱機械應力施加裝置的實驗過程中工作人員應當注重確保試樣受力大小及彈簧壓縮量符合實驗的具體設計要求，從而在此基礎上促進實驗誤差的合理減少和實驗結果精確性的有效提升。這同時也促進了設計的熱機械應力施加裝置在投入實際應用和具體使用過程中能夠表現出較為良好的適用性和泛用性，即在滿足汽車加力要求的同時，有效降低汽車的生產和維修成本，從而在減少汽車生產成本的同時對相關資源進行了節約。除此之外，通過熱機械應力施加裝置實驗結果分析工作人員可以判定這一熱機械應力施加裝置具有制造簡單、操作靈活、質量較高、成本低廉、韌性良好等優越性。因此在小型試樣的加力研究中可以得到較為廣泛的應用與此同時在其他實驗和進一步的分析研究中也能得到有效的應用，最終能夠促進我國汽車工業發展速度得到有效提升。

5 結語

隨著我國國民經濟整體水平的持續進步和汽車行業發展速度的不斷提升，在汽車制造過程中熱機械應力施加裝置設計分析的進行取得了良好的實踐效果。因此研究人員在進行熱機械應力施加裝置設計分析時應當對其設計方案、零部件設計等內容有著清晰的了解，從而在此基礎上通過實驗和結果分析的進行促進我國汽車行業整體水平的持續提升。

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