MTS 首席科学家 Erik Schwarzkopf 博士凭借超过 25 年的材料测试、冶金和系统工程经验，为客户业务提供独到的专业知识。23 年来，MTS 高级设计工程师 Steve Lemmer 一直致力于开发创新测试解决方案，并在 MTS 全球安装的 15 套平面双轴测试系统的设计中发挥了重要作用。在本次问答中，他们介绍了平面双轴测试的起源、挑战和优势。
问：什么是平面双轴测试？它与传统的单轴测试有何不同？
Schwarzkopf：平面双轴测试的理论是：现实世界中，大多数结构和部件都在多个方向上承受载荷。为了模拟实际条件，测试工程师需要能够做到在多个方向上拉伸样件，同时在此过程中实施许多控制。在这种情况下，“控制” 意味着要将样件中心精确保持在中心位置，同时消除产生额外弯曲应力的风险。为实现这一目标，我们的平面双轴系统在一个平面上使用四个作动缸。平面双轴测试的测试样件非常独特，因为它们通常是十字形状，具有四个连接点，而且十字各个臂的长度通常都相等。这一点很重要，因为围绕样件中心的所有部分都需要均匀拉伸。否则，测试就无法得到正确结果。
问：平面双轴测试是怎么来的？它源自何处？
Schwarzkopf：随着喷气发动机的出现，1960 年代开始出现对平面双轴测试的需求。航空航天制造商非常关注飞机结构的应力状态。另一个早期应用是在汽车制造中分析金属薄片的晶粒结构。在平面双轴测试之前，工程师会分别执行多次单轴测试，然后使用外推法预测现实世界中的多轴行为。
问：MTS 在平面双轴测试技术的完善中发挥了怎样的作用？
Schwarzkopf：MTS 在 20 世纪 80 年代参与进来。我们是开发第一套双轴测试系统的先驱，该系统可使用同一套载荷装置同时进行扭曲和拉伸。然后我们增加了侧向载荷，这需要四个作动缸来实现。我们的解决方案拥有同时控制多轴的能力，这对于这种测试的可行性和准确度至关重要。由于在汽车行业拥有丰富经验，MTS 非常熟悉多个作动缸之间的相位关系控制。然后，我们增加了载荷框架来确保特定的几何关系。接着在 20 世纪 90 年代，我们开发了软件、数字控制器和控制方案，帮助客户更轻松地实现正确的质心控制。在此之前也能实现，但对于许多实验室而言非常困难并且效率不高。
问：平面双轴测试可满足哪些关键需求？
Schwarzkopf：工程师依靠平面双轴测试数据来对材料强度和厚度做出重要的设计决策。许多行业都有应用，主要用于测试金属。通常侧重于动态测试，即断裂力学和疲劳裂纹扩展。我们的客户需要了解各种载荷条件下裂纹扩展的速度以及裂纹达到临界尺寸的速度。另外一些平面双轴仿真则用于测试实际部件。这些测试可以是真正的双轴，也可以是轴扭组合，这些力可以是同步的，也可以是相反的。有些客户可能希望运行破坏容差测试，以测量材料中某个大型孔洞的裂纹扩展，然后修复破坏并查看修复的持续情况，或者测试同一个孔洞可以修复的次数。这就是平面双轴测试的优点：可以精细定制，从而以任何能够产生所需数据的方式控制作用力。
问：客户如何使用平面双轴测试的数据？
Schwarzkopf： 这些数据可以帮助我们的客户开发新的制造技术，了解复合材料等新材料的行为，开发出更好的模型。目前有许多实际应用，通常在大型研究和开发设施中执行。航空航天制造商可以检查飞机的结构和部件。燃气涡轮机制造商可以测试飞机喷气发动机和发电装置中使用的部件。大型国家实验室往往对平面双轴测试非常关注。它能够达到比单轴测试更接近实际运行环境的真实程度。但是，在结构或部件失效可能产生灾难性后果的场合，当然包括航空航天和发电，平面双轴测试的应用非常多。
问：平面双轴测试的一些关键技术挑战是什么？
Lemmer： 平面双轴测试最具挑战性的方面包括：实现精确的质心控制；确保正确的系统对中；实现测试可重复性。
问：什么是质心控制？
Lemmer： 质心控制是指能将样件中心精确保持在研究人员所需的位置，通常是在测试空间的中心。MTS 平面双轴系统可以将质心的位置控制在微米范围内。大多数应用中，客户希望在周期性测试中移出或移入边缘，进行挤压和拉伸。但中心必须保持不动。这些测试要持续数天。我们的平面双轴系统针对低周疲劳测试（通常为一万次循环）进行过优化。这类测试的典型频率是 1 Hz。
问：为何必须确保系统对中？
Lemmer： 如果测试是向两个方向推压和拉伸样件，那么必须在同一平面上施加这些力。否则会意外引入弯曲力或剪切应力，这些力无法妥善控制，在分析中也不会考虑。这会损害数据，因为意外应力可能导致样件提前失效。如果要累计失效前的循环次数，会得到不准确的计数。意外应力还会导致样件面临屈曲的风险。在许多行业，尤其是航空航天，样件的替换成本可能非常昂贵。为确保正确对中，MTS 采用的对中装置可提供夹具之间的对中调整情况，确保完全共面、同心并且角度调整适当。为很大限度减少弯曲应变，MTS 对作动缸及其安装位置进行了精确加工，但即使是轻微偏离也会影响测试；细微调整是必要的，通过对中装置可以方便地执行此类调整。
问：对中装置是否能保证测试可重复性？
Lemmer： 在完美对中框架后，必须将实际样件放置到位，然后确保对中仍然正确。我们使用标准液压楔形夹具，每次都能以同样的方式夹持样件。它们会对样件的每一根臂施加大小相同的力。换句话说，它们的可重复性很高。它们的设计可以适应多种不同的样件尺寸。另一种选择是使用螺栓连接力学固定工装，这种夹具不那么灵活，并且不能提供同样来自夹具的对中可重复性。使用 MTS，只需几分钟即可确保样件对中。其他系统可能需要半天时间。
问：这些挑战对 MTS 平面双轴产品带来了哪些影响？
Lemmer： 为了确保测试数据的完整性，我们的系统经过专门设计，可实现很大程度的控制和对中。它们具备出色的横向刚度。作动缸包括静压轴承，它们嵌套在一起，可很大限度减少从作动缸到测试空间的距离。超力矩保护设备有助于在发生出平面事件时为各个作动缸提供支撑。这些装置可以接住荷载系统中的固定工装，将力带回地面，而不是破坏载荷传感器或作动缸。因为无论如何小心注意，样件的臂都可能发生意外断裂。我们的系统设计可防止框架破坏。这种设计非常稳定，作动缸几乎不会发生任何摩擦，这对波形保真度和控制软件也很重要。
问：MTS 平面双轴测试产品的测量范围如何？
Lemmer：我们的载荷能力为 25 到 500 kN。我们还有一套系统，可以在一个方向上提供 250 kN 载荷，在另一个方向上提供 500 kN 载荷。其中许多系统还具有扭转功能。每套解决方案都包括必要的附件、软件、数字控制技术和用户界面，可满足每个客户的特定测试应用要求。我们提供全套的解决方案，客户可享受 “一站式” 体验，并且可以确信所有部件都经过精心设计，可实现流畅互动。自 1990 年以来，我们已经在世界各地安装了 15 套这样的系统，对于测试设备和测试都有深刻的了解。
问：可否举例说明 MTS 为平面双轴系统带来的增强功能？
Lemmer：MTS 平面双轴系统的设计可以很容易地进行修改，满足客户的精确测试要求。许多客户希望保持两个方向上的载荷相同，但有些客户却不希望。例如，有一家平面双轴客户更关注控制载荷比率和更改比率，以便了解它对裂纹扩展和方向的影响，这也称为莫尔圆输出。主应力以一定角度产生剪切应力。在这种情况下，应力状态和裂纹扩展速度可能完全不同，这无疑会影响设计。如前所述，我们还可以在平面双轴测试系统配置中增加旋转，让研究人员能够研究的应力张量大大增加。多年来，我们将各种环境仿真系统集成到平面双轴解决方案中，对被测样件施加极端温度、真空和湿度。最近，我们设计了一套紧凑的低质量 25 kN 系统，让研究人员可以在固定的粒子束线内进行集成和铰接。
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问：什么是平面双轴测试？它与传统的单轴测试有何不同？
Schwarzkopf：平面双轴测试的理论是：现实世界中，大多数结构和部件都在多个方向上承受载荷。为了模拟实际条件，测试工程师需要能够做到在多个方向上拉伸样件，同时在此过程中实施许多控制。在这种情况下，“控制” 意味着要将样件中心精确保持在中心位置，同时消除产生额外弯曲应力的风险。为实现这一目标，我们的平面双轴系统在一个平面上使用四个作动缸。平面双轴测试的测试样件非常独特，因为它们通常是十字形状，具有四个连接点，而且十字各个臂的长度通常都相等。这一点很重要，因为围绕样件中心的所有部分都需要均匀拉伸。否则，测试就无法得到正确结果。
问：平面双轴测试是怎么来的？它源自何处？
Schwarzkopf：随着喷气发动机的出现，1960 年代开始出现对平面双轴测试的需求。航空航天制造商非常关注飞机结构的应力状态。另一个早期应用是在汽车制造中分析金属薄片的晶粒结构。在平面双轴测试之前，工程师会分别执行多次单轴测试，然后使用外推法预测现实世界中的多轴行为。
问：MTS 在平面双轴测试技术的完善中发挥了怎样的作用？
Schwarzkopf：MTS 在 20 世纪 80 年代参与进来。我们是开发第一套双轴测试系统的先驱，该系统可使用同一套载荷装置同时进行扭曲和拉伸。然后我们增加了侧向载荷，这需要四个作动缸来实现。我们的解决方案拥有同时控制多轴的能力，这对于这种测试的可行性和准确度至关重要。由于在汽车行业拥有丰富经验，MTS 非常熟悉多个作动缸之间的相位关系控制。然后，我们增加了载荷框架来确保特定的几何关系。接着在 20 世纪 90 年代，我们开发了软件、数字控制器和控制方案，帮助客户更轻松地实现正确的质心控制。在此之前也能实现，但对于许多实验室而言非常困难并且效率不高。
问：平面双轴测试可满足哪些关键需求？
Schwarzkopf：工程师依靠平面双轴测试数据来对材料强度和厚度做出重要的设计决策。许多行业都有应用，主要用于测试金属。通常侧重于动态测试，即断裂力学和疲劳裂纹扩展。我们的客户需要了解各种载荷条件下裂纹扩展的速度以及裂纹达到临界尺寸的速度。另外一些平面双轴仿真则用于测试实际部件。这些测试可以是真正的双轴，也可以是轴扭组合，这些力可以是同步的，也可以是相反的。有些客户可能希望运行破坏容差测试，以测量材料中某个大型孔洞的裂纹扩展，然后修复破坏并查看修复的持续情况，或者测试同一个孔洞可以修复的次数。这就是平面双轴测试的优点：可以精细定制，从而以任何能够产生所需数据的方式控制作用力。
问：客户如何使用平面双轴测试的数据？
Schwarzkopf： 这些数据可以帮助我们的客户开发新的制造技术，了解复合材料等新材料的行为，开发出更好的模型。目前有许多实际应用，通常在大型研究和开发设施中执行。航空航天制造商可以检查飞机的结构和部件。燃气涡轮机制造商可以测试飞机喷气发动机和发电装置中使用的部件。大型国家实验室往往对平面双轴测试非常关注。它能够达到比单轴测试更接近实际运行环境的真实程度。但是，在结构或部件失效可能产生灾难性后果的场合，当然包括航空航天和发电，平面双轴测试的应用非常多。
问：平面双轴测试的一些关键技术挑战是什么？
Lemmer： 平面双轴测试最具挑战性的方面包括：实现精确的质心控制；确保正确的系统对中；实现测试可重复性。
问：什么是质心控制？
Lemmer： 质心控制是指能将样件中心精确保持在研究人员所需的位置，通常是在测试空间的中心。MTS 平面双轴系统可以将质心的位置控制在微米范围内。大多数应用中，客户希望在周期性测试中移出或移入边缘，进行挤压和拉伸。但中心必须保持不动。这些测试要持续数天。我们的平面双轴系统针对低周疲劳测试（通常为一万次循环）进行过优化。这类测试的典型频率是 1 Hz。
问：为何必须确保系统对中？
Lemmer： 如果测试是向两个方向推压和拉伸样件，那么必须在同一平面上施加这些力。否则会意外引入弯曲力或剪切应力，这些力无法妥善控制，在分析中也不会考虑。这会损害数据，因为意外应力可能导致样件提前失效。如果要累计失效前的循环次数，会得到不准确的计数。意外应力还会导致样件面临屈曲的风险。在许多行业，尤其是航空航天，样件的替换成本可能非常昂贵。为确保正确对中，MTS 采用的对中装置可提供夹具之间的对中调整情况，确保完全共面、同心并且角度调整适当。为很大限度减少弯曲应变，MTS 对作动缸及其安装位置进行了精确加工，但即使是轻微偏离也会影响测试；细微调整是必要的，通过对中装置可以方便地执行此类调整。
问：对中装置是否能保证测试可重复性？
Lemmer： 在完美对中框架后，必须将实际样件放置到位，然后确保对中仍然正确。我们使用标准液压楔形夹具，每次都能以同样的方式夹持样件。它们会对样件的每一根臂施加大小相同的力。换句话说，它们的可重复性很高。它们的设计可以适应多种不同的样件尺寸。另一种选择是使用螺栓连接力学固定工装，这种夹具不那么灵活，并且不能提供同样来自夹具的对中可重复性。使用 MTS，只需几分钟即可确保样件对中。其他系统可能需要半天时间。
问：这些挑战对 MTS 平面双轴产品带来了哪些影响？
Lemmer： 为了确保测试数据的完整性，我们的系统经过专门设计，可实现很大程度的控制和对中。它们具备出色的横向刚度。作动缸包括静压轴承，它们嵌套在一起，可很大限度减少从作动缸到测试空间的距离。超力矩保护设备有助于在发生出平面事件时为各个作动缸提供支撑。这些装置可以接住荷载系统中的固定工装，将力带回地面，而不是破坏载荷传感器或作动缸。因为无论如何小心注意，样件的臂都可能发生意外断裂。我们的系统设计可防止框架破坏。这种设计非常稳定，作动缸几乎不会发生任何摩擦，这对波形保真度和控制软件也很重要。
问：MTS 平面双轴测试产品的测量范围如何？
Lemmer：我们的载荷能力为 25 到 500 kN。我们还有一套系统，可以在一个方向上提供 250 kN 载荷，在另一个方向上提供 500 kN 载荷。其中许多系统还具有扭转功能。每套解决方案都包括必要的附件、软件、数字控制技术和用户界面，可满足每个客户的特定测试应用要求。我们提供全套的解决方案，客户可享受 “一站式” 体验，并且可以确信所有部件都经过精心设计，可实现流畅互动。自 1990 年以来，我们已经在世界各地安装了 15 套这样的系统，对于测试设备和测试都有深刻的了解。
问：可否举例说明 MTS 为平面双轴系统带来的增强功能？
Lemmer：MTS 平面双轴系统的设计可以很容易地进行修改，满足客户的精确测试要求。许多客户希望保持两个方向上的载荷相同，但有些客户却不希望。例如，有一家平面双轴客户更关注控制载荷比率和更改比率，以便了解它对裂纹扩展和方向的影响，这也称为莫尔圆输出。主应力以一定角度产生剪切应力。在这种情况下，应力状态和裂纹扩展速度可能完全不同，这无疑会影响设计。如前所述，我们还可以在平面双轴测试系统配置中增加旋转，让研究人员能够研究的应力张量大大增加。多年来，我们将各种环境仿真系统集成到平面双轴解决方案中，对被测样件施加极端温度、真空和湿度。最近，我们设计了一套紧凑的低质量 25 kN 系统，让研究人员可以在固定的粒子束线内进行集成和铰接。
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