1MN静重式力标准机大型结构件力学性能的分析
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摘要
随着科学技术和经济的迅速发展，力值计量在国民经济发展中的地位越来越重要，静重式力标准机以砝码的重力作为标准负荷，通过适当的机构按预定顺序自动平稳地把负荷直接施加到被检/校测力仪（或称重传感器）上的力标准机，由于其准确度高，加载过程简单，在加载的过程中受外界干扰小等原因，成为力值计量精度最高的力值计量设备，是力值计量领域的最高基准。本论文以目前国内最大的1MN静重式力标准机作为研究对象，对力标准机主要结构件和整机的力学性能进行了深入的分析和研究，确定各种工况下的力标准机整机及大型结构件变形情况，并作出正确的力学性能评价，对今后研究大型测力设备奠定理论基础，在我国大力值的量值传递、测力与称重传感器等科学研究方面做出贡献。
本论文在分析了1MN静重式力标准机的原理、结构，砝码的加卸载原理和加卸载运动的基础上，运用大型有限元软件，从力学模型的建立和简化，理论公式的推导和计算，以及运用ANSYS软件分析仿真等方面对1MN静重式力标准机的主要构件和整机的力学性能进行了详尽的分析和研究。
论文在对1MN静重式力标准机主要构件进行分析时，建立了驱动机构的力学模型，并运用ANSYS对驱动机构中承载最大的偏心轴进行了静态特性、模态特性以及疲劳特性分析。对力标准机的力值传递系统进行了建模分析，并将其转化成为一个二阶振动系统，同时分析得到了吊挂机构中反向架的破坏主要是受压的屈曲破坏，论文运用有限元方法求出了反向架所能承受的最大屈曲载荷，在此基础上，对其建立了简化的工程计算模型，经过在1T静重式力标准机上实验证明了该计算方法的有效可用。同时对整个吊挂系统和动横梁进行了静力学性能的分析，从而保证了1MN静重式力标准机主要受力构件的力学性能能够满足正常工作的需要。
论文中对1MN静重式力标准机整机力学性能的分析时，采用分步建模的方式建立了整机的力学模型，并运用振动力学的知识，对其进行了简化计算，求出了系统的振动方程，计算出了整机的在正常加载和1.5倍过载的情况下的最大变形，并在ANSYS中对结果进行了验证，在此基础上，论文对整机在过载和偏心加载以及冲击载荷对系统产生的影响进行了分析，为了减缓冲击，论文中设计了冲击隔离系统，从而保证了整机正常工作性能的实现。
在对整机以及构件力学性能分析的基础上，论文对1MN静重式力标准机的负荷特性进行了实验，从而验证1MN静重式力标准机在正常加载和偏心加载的情况下都能够正常的工作，验证力学计算结果的正确性。
With the rapid development of science and economic，Force value measurement isbecoming more and more important。Using the gravity of the weight as the standardload，according to a predetermined sequence through the appropriate body，Deadweight force standard machine（DWM）directly applied the load automatically andstably to the checking dynamometer (or weighing sensor)．Because of the simpleloading process and the small interference from outside，it has the highest force valueaccuracy in all force measurement device，which is becoming the benchmark for thehighest standards in force measurement．This paper’s research object is1MN DeadWeight ForceStandard Machine that is the largest in our domestic currently． It has anin-depth analysis and research of Mechanical properties of the force standardmachine’s primary structure and the whole machine，identify the deformation of thevarious conditions of the force standard machine and large pieces of the structure，andmake a correct evaluation of the mechanical properties，and hope to lay theoreticalfoundation of large force measuring device，make a contribution for thescientificresearch of value transfer the force measuring and weighing sensors and other aspects．
In this paper，based on the analysis of the principle，structure，the load/unloadprinciple and movement of weights of1MN dead weight force standard machine，It hasin-depth analysis on the mechanical properties from the mechanical model’sestablished and simplified，the theoretical formulas deduced and calculated，and theuse of ANSYS software to analysis etc．
In the paper，In the primary component analysis of1MN deadweight forcestandard machine，it has established mechanical model of driving mechanism，andanalyzed staticcharacteristics，modal characteristics and fatigue characteristics of theeccentric shaft bearing the maximum．It has the modeling analysis to the force valuetransfer system，this system could be translate into a system of two vibration．Then，damage of reverse frame of hanging mechanism is mainly because of Buckling Failurewith compresser．In the paper，using the finite element method，it has calculatedmaximum buckling load of the Reverse frame，and then established the Engineering simplified calculation method．Proved by1T deadweight force standard machineexperiment，the method is available．And then it has analysised static performance ofthe whole hanging system and dynamic beam，in order to ensure mechanical propertiesof main stress components of1MN dead weight force standard machine can meet thenormal work need．
In this paper，it is used the step modeling way to build the mechanics model toanalysis mechanical properties of the whole machine．Applicating vibration mechanicsput the model simplify and calculate，seeking out system vibration equation，substituting the data，it could get the maximum deformation of the whole machineunder the condition of normal load and overload rating，and the result of calculation isverificated in the software of ANSYS．In the paper，it also analysised the wholemachine’s performance in the case of overload and eccentric，especially impact load onmachine，in the paper，we have designed a buffer system．
Based on that，Load characteristic experiments are carried out On1MN deadweight force standard machine，in order to verify the correctness of the theoreticalcalculation and simulation．
本论文在分析了1MN静重式力标准机的原理、结构，砝码的加卸载原理和加卸载运动的基础上，运用大型有限元软件，从力学模型的建立和简化，理论公式的推导和计算，以及运用ANSYS软件分析仿真等方面对1MN静重式力标准机的主要构件和整机的力学性能进行了详尽的分析和研究。
论文在对1MN静重式力标准机主要构件进行分析时，建立了驱动机构的力学模型，并运用ANSYS对驱动机构中承载最大的偏心轴进行了静态特性、模态特性以及疲劳特性分析。对力标准机的力值传递系统进行了建模分析，并将其转化成为一个二阶振动系统，同时分析得到了吊挂机构中反向架的破坏主要是受压的屈曲破坏，论文运用有限元方法求出了反向架所能承受的最大屈曲载荷，在此基础上，对其建立了简化的工程计算模型，经过在1T静重式力标准机上实验证明了该计算方法的有效可用。同时对整个吊挂系统和动横梁进行了静力学性能的分析，从而保证了1MN静重式力标准机主要受力构件的力学性能能够满足正常工作的需要。
论文中对1MN静重式力标准机整机力学性能的分析时，采用分步建模的方式建立了整机的力学模型，并运用振动力学的知识，对其进行了简化计算，求出了系统的振动方程，计算出了整机的在正常加载和1.5倍过载的情况下的最大变形，并在ANSYS中对结果进行了验证，在此基础上，论文对整机在过载和偏心加载以及冲击载荷对系统产生的影响进行了分析，为了减缓冲击，论文中设计了冲击隔离系统，从而保证了整机正常工作性能的实现。
在对整机以及构件力学性能分析的基础上，论文对1MN静重式力标准机的负荷特性进行了实验，从而验证1MN静重式力标准机在正常加载和偏心加载的情况下都能够正常的工作，验证力学计算结果的正确性。
With the rapid development of science and economic，Force value measurement isbecoming more and more important。Using the gravity of the weight as the standardload，according to a predetermined sequence through the appropriate body，Deadweight force standard machine（DWM）directly applied the load automatically andstably to the checking dynamometer (or weighing sensor)．Because of the simpleloading process and the small interference from outside，it has the highest force valueaccuracy in all force measurement device，which is becoming the benchmark for thehighest standards in force measurement．This paper’s research object is1MN DeadWeight ForceStandard Machine that is the largest in our domestic currently． It has anin-depth analysis and research of Mechanical properties of the force standardmachine’s primary structure and the whole machine，identify the deformation of thevarious conditions of the force standard machine and large pieces of the structure，andmake a correct evaluation of the mechanical properties，and hope to lay theoreticalfoundation of large force measuring device，make a contribution for thescientificresearch of value transfer the force measuring and weighing sensors and other aspects．
In this paper，based on the analysis of the principle，structure，the load/unloadprinciple and movement of weights of1MN dead weight force standard machine，It hasin-depth analysis on the mechanical properties from the mechanical model’sestablished and simplified，the theoretical formulas deduced and calculated，and theuse of ANSYS software to analysis etc．
In the paper，In the primary component analysis of1MN deadweight forcestandard machine，it has established mechanical model of driving mechanism，andanalyzed staticcharacteristics，modal characteristics and fatigue characteristics of theeccentric shaft bearing the maximum．It has the modeling analysis to the force valuetransfer system，this system could be translate into a system of two vibration．Then，damage of reverse frame of hanging mechanism is mainly because of Buckling Failurewith compresser．In the paper，using the finite element method，it has calculatedmaximum buckling load of the Reverse frame，and then established the Engineering simplified calculation method．Proved by1T deadweight force standard machineexperiment，the method is available．And then it has analysised static performance ofthe whole hanging system and dynamic beam，in order to ensure mechanical propertiesof main stress components of1MN dead weight force standard machine can meet thenormal work need．
In this paper，it is used the step modeling way to build the mechanics model toanalysis mechanical properties of the whole machine．Applicating vibration mechanicsput the model simplify and calculate，seeking out system vibration equation，substituting the data，it could get the maximum deformation of the whole machineunder the condition of normal load and overload rating，and the result of calculation isverificated in the software of ANSYS．In the paper，it also analysised the wholemachine’s performance in the case of overload and eccentric，especially impact load onmachine，in the paper，we have designed a buffer system．
Based on that，Load characteristic experiments are carried out On1MN deadweight force standard machine，in order to verify the correctness of the theoreticalcalculation and simulation．
引文
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[5]沙树静．国家基准机力值控制问题的研究与应用[D]．吉林:吉林大学，2004．
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[10] AllgeierT，El-HakeemH，El-SayedA，etal．A new design of dead weight foreeStandard maehine with substitute load control and self-checking systems
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