摘要：交变载荷作用下零部件的主要失效形式为疲劳破坏。目前，国内外预防疲劳破坏的主要有效手段是进行构件材料或者零部件的疲劳试验，测试其抗疲劳断裂性能，绘制S-N曲线，浅析、计算其疲劳寿命。目前国内外已有的两大类疲劳试验机即电磁驱动型和电液伺服型，由于受系统阻抗与磁阻的限制，一般工作频率不大于200Hz，同时普遍有着振幅制约性差、共振稳定性不好、加载精度不高等不足，均不适用于对微小与硬脆材料零件、高频受力构件的疲劳检测。随着工业与科技的进展，工作在高频、小振幅受力工况下的微小、硬脆机械零部件的利用逐渐增加，这使得能够模仿小振幅、高速受载工况的、并具有较高检测效率的疲劳试验机的研发变得日益重要。本论文结合国家自然科学基金项目《压电驱动式高频疲劳试验机构设计论述与性能试验探讨》，采取压电振子作为驱动元件，利用系统共振的策略，研制了适用于工作在高频、小振幅受力工况下的微小与硬脆零部件的压电式高频疲劳试验机（以下简称“压电疲劳机”），并进行了相关的设计论述、动力学浅析、仿真、和样机实测的探讨，内容如下：1.基于弹性材料的板壳论述，建立了圆周固支条件下圆形双晶片压电振子的振动模型，求解了其一阶振动模态和所对应的固有频率；运用有限元软件对压电振子进行了模态浅析；运用阻抗浅析仪实测了压电振子的阻抗特性以获得其固有频率，比较了上面陈述的三个结果，验证了论述建模的合理性与求解的正确性。2.运用集中质量法建立了压电疲劳机的动力学模型，并根据牛顿第二定律，建立了其机械系统的运动微分方程组，求解了其稳态响应；确定了板弹簧的参数设计原则，即在满足机械强度要求的前提下，它应具有很好的弹性和较小的刚度；由算例得知，426Hz和829Hz这两个频率为振型转换频率，它们的数值由机架的各个零部件参数（尺寸参数、位置参数）所决定。当工作频率低于426Hz时，压电疲劳机以主振型工作，当工作频率与这两个数值相等时，机架将产生较大的振动，而弹性加载器-试样系统则不受力或者只能受到较小的作用力。所以在选择弹性加载器质量、板弹簧刚度和试件刚度时，应尽量使主振型的工作频率偏离振型转换频率远些。3.按一定的结构参数建立了压电疲劳机的实体模型与有限元模型，求解了各阶振动模态和所对应的固有频率，确定了第14阶振动模态为压电疲劳机工作的主振型，其所对应的工作频率为330.4Hz；通过转变压电疲劳机主要零部件的9个参数，探讨了这些参数的变化对其主振型固有频率的影响、变化规律和理由，结果表明：压电振子金属基板厚度、板弹簧厚度、弹性加载器质量的增加以及金属基板直径的减小，都会引起主振型固频率显著地变大；设置输入165V、主振型工作频率为330.4Hz左右（330.0Hz至330.9Hz）的交变电压，对压电疲劳机进行了谐响应浅析，验证了当其以主振型频率工作时，试件受载稳定，同时机架振幅不大。4.试制了多种参数的零部件，装配了3台样机，转变样机主要零部件的9个参数，分别测试样机在六个不同驱动电压下施加在试件上的最大动载荷，浅析这些参数的变化对施加在试件上的最大动载荷的影响、变化规律和理由。由实测结果可知，施加在试件上的最大动载荷，随着弹性加载器的质量增加而变大；随着驱动电压的增大而变大。可以通过调节上面陈述的两个参数，以满足按照疲劳试验载荷水平表，使压电疲劳机向试件施加不同载荷的要求。5.以材料为HT100的试件为例，运用本论文制成的样机对其进行循环特性为R=0.1的拉伸疲劳测试，工作频率为352.4Hz。绘制了HT100的S-N曲线，得到了其1.18×10~8循环周次的疲劳极限为23.049MPa；运用扫描电镜观察了疲劳断裂的HT100试件断口形貌,浅析了裂纹源、裂纹扩展以及瞬断的微观情况。设计制成的样机满足对微小与硬脆构件进行疲劳试验所需的小幅和高频加载、共振稳定可靠、抗干扰能力强等要求。6.设计制造了一台由矩形单晶片压电振子驱动，可提供微小载荷、高频率、高精度，适用于小尺度材料进行疲劳检测的压电式微小载荷疲劳试验机，并以蜻蜓翅翼为试样，对其施加给定循环特性R=0.1的33组交变应力，加载精度为0.01N，工作频率为207.4Hz。通过对试验历程中拍摄的图片和录制的视频浅析了蜻蜓翅翼由于疲劳破坏所引起的一系列裂口产生、扩展的机理，其疲劳破坏裂口会首先出现在蜻蜓翅翼前缘脉或者后缘脉的附近部位，并随着循环载荷次数的增加而扩展。翅膜对裂口扩展几乎没有抵抗力；而翅脉则可以显著减缓甚至阻止裂口的扩展。设计制成的样机满足对小尺度材料进行疲劳试验所需的载荷小、加载精度高、工作稳定的要求。关键词：压电式论文压电振子论文疲劳试验机论文共振频率论文高频论文
摘要6-8
ABSTRACT8-11
目录11-14
第1章 绪论14-25
1.1 引言14
1.2 疲劳试验机探讨近况14-16
1.2.1 国外探讨近况14
1.2.2 国内探讨近况14-16
1.3 压电驱动高频疲劳试验机探讨背景16-18
1.4 国内外压电驱动疲劳试验装置探讨近况18-22
1.5 本论文的探讨作用和探讨内容22-25
1.5.1 本论文的探讨作用22-23
1.5.2 本论文的探讨内容23-25
第2章 压电振子的选择与振动浅析25-40
2.1 压电疲劳机所用压电振子的选择25-27
2.1.1 压电陶瓷材料的选择25-26
2.1.2 压电振子结构的选择26-27
2.2 所选用的双晶片圆形压电振子的振动浅析27-33
2.3 算例与浅析33-35
2.4 圆形双晶片压电振子的试验浅析35-38
2.4.1 圆形双晶片压电振子阻抗特性浅析35-36
2.4.2 不同结构参数的圆形双晶片压电振子的中心位移实测36-37
2.4.3 压电振子的位移频率特性测定37-38
2.5 本章小结38-40
第3章 压电式高频疲劳试验机的设计探讨40-57
3.1 机械结构的设计40-45
3.1.1 机械结构的技术要求40-41
3.1.2 激振策略设计41
3.1.3 载荷预置机构的设计41-43
3.1.4 弹性加载器的设计43
3.1.5 夹具的设计43-44
3.1.6 基座的设计44-45
3.2 检测装置的设计45-48
3.3 驱动电源的设计48-56
3.3.1 驱动电源的设计要求49-50
3.3.2 驱动电源的硬件的设计50-51
3.3.3 逆变单元的设计51-52
3.3.4 驱动电源的阻抗匹配52-54
3.3.5 驱动电源的软件的设计54-56
3.4 本章小结56-57
第4章 机械系统动力学建模、浅析与仿真57-83
4.1 机械系统集中质量法建模与动态特性浅析57-64
4.1.1 运用质量法建模57-61
4.1.2 机械振动系统固有频率及其求解61-62
4.1.3 能量守恒及试件与载荷传感器系统作用力方程62-63
4.1.4 工作频率偏离所导致的动载荷误差63-64
4.2 机械系统的有限元法建模与动态特性浅析64-77
4.2.1 整机三维实体建模、有限元建模64-67
4.2.2 后处理及其结果浅析67-69
4.2.3 各零部件参数对疲劳试验机主振型固有频率的影响69-74
4.2.4 整机的谐响应浅析74-77
4.3 本章小结77-83
第5章 样机的试制与试验探讨83-101
5.1 样机的试制83-84
5.2 作用在试件上的最大动载荷的测试84-96
5.2.1 试验策略、设备和步骤84-86
5.2.2 实测结果及浅析86-96
5.3 对试件的拉伸疲劳试验96-100
5.3.1 试件的化学成分、力学性能和几何尺寸96-97
5.3.2 疲劳试验步骤与载荷水平97-98
5.3.3 疲劳试验结果与浅析98-100
5.4 本章小结100-101
第6章 压电式微小载荷疲劳试验机的探讨101-110
6.1 探讨背景与作用101-102
6.2 结构及其工作原理102
6.3 动力学浅析102-105
6.3.1 动力学模型的建立103-104
6.3.2. 等效质量的计算104-105
6.4 疲劳试验与结果浅析105-109
6.4.1 疲劳试验机的参数与试验设备105-106
6.4.2 对蜻蜓翅翼进行疲劳测试106-107
6.4.3 试验结果及浅析107-109
6.5 本章小结109-110
第7章 结论与展望110-113
7.1 本论文探讨结论110-111
7.2 本论文探讨的革新点111-112
7.3 探讨展望112-113
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