1前言
　　
　　疲勞失效是構(gòu)件在名義應(yīng)力低于強(qiáng)度極限，甚至低于屈服極限的情況下，突然發(fā)生斷裂的行為。飛機(jī)、車輛和機(jī)器發(fā)生的事故中，有很大比例是零部件疲勞失效造成的。這類事故常常帶來很大的損失和傷亡，因此，材料和構(gòu)件的疲勞特性引起了人們的重視。高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于測量金屬材料及構(gòu)件在拉、壓或拉壓交變負(fù)荷下的疲勞性能。由于采用共振原理，它具有試驗(yàn)頻率高、激振功率低的特點(diǎn)，被各大高校、科研院所、工廠企業(yè)所廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合廣州澳金工業(yè)GPS系列電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，建立機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。通過對不同子系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算分析，將三自由度振動(dòng)系統(tǒng)簡化為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并將系統(tǒng)的阻尼考慮進(jìn)來，使該模型更準(zhǔn)確、合理地反映試驗(yàn)機(jī)的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)。利用Inventor軟件建立了高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的實(shí)體模型，將其導(dǎo)入ansysworkbench的模態(tài)分析模塊，得到該系統(tǒng)各階振型圖，即設(shè)備在不同試驗(yàn)頻率下的振動(dòng)狀態(tài)。
　　
　　2高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
　　
　　2.1GPS系列高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)
　　
　　高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)主機(jī)部分主要由靜態(tài)加載系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)組成（圖1所示）。其中靜態(tài)加載系統(tǒng)主要包括橫梁、立柱、底座、弓形環(huán)，該系統(tǒng)通過私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對渦輪絲杠副帶動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)，從而對試樣施加靜態(tài)力和調(diào)整試驗(yàn)空間。動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)主要由激勵(lì)電磁鐵、銜鐵、弓形環(huán)、瑪法組成，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系統(tǒng)。　　2.2高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)各子系統(tǒng)模態(tài)分析
　　
　　幾點(diǎn)假設(shè)：由于弓形環(huán)在振動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的變形，其質(zhì)量相對于本系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)，故可簡化為一彈性元件。質(zhì)量很大，故可將其視為一無彈性的質(zhì)量。相對系統(tǒng)的諧振質(zhì)量和機(jī)架質(zhì)量，試樣的質(zhì)量很小，而其剛度相比弓形環(huán)，不可忽略，故將試樣簡化為一剛度較大的彈性元件。根據(jù)上述幾點(diǎn)假設(shè)，可將該振動(dòng)系統(tǒng)分解為三個(gè)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，即電池激勵(lì)器子系統(tǒng)、機(jī)架子系統(tǒng)以及瑪法加載子系統(tǒng)組成（如圖2所示）。　　2.3高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
　　
　　高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)工作頻率在100Hz-250Hz左右，由振動(dòng)學(xué)理論可知，電池激勵(lì)器子系統(tǒng)和機(jī)架子系統(tǒng)的固有頻率要遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的工作頻率，從而電磁激勵(lì)器與機(jī)架子系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)加載過程中可認(rèn)為是靜止的，即該結(jié)論可以理解為：在激振頻率遠(yuǎn)高于固有頻率時(shí)，質(zhì)量不能跟上力的快速變化，停留在原位置不動(dòng)。根據(jù)上述原則，可將高頻試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型簡化為圖3所示形式，此時(shí)考慮系統(tǒng)阻尼的影響。
　　
　　關(guān)于系統(tǒng)阻尼的說明：在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作過程中，必然有阻尼的存在，如材料阻尼、相對運(yùn)動(dòng)阻尼等。阻尼系數(shù)是高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)較為重要的參數(shù)之一，此系數(shù)影響試樣的加載力、共振頻率等關(guān)鍵參數(shù)。　　3仿真分析
　　
　　在上述對高頻試驗(yàn)機(jī)的理論建模分析中，將三自由度振動(dòng)系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)進(jìn)行了理論計(jì)算，而利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以更地推算和模擬設(shè)備在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特性，現(xiàn)利用ansysworkbench對該系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)和諧響應(yīng)分析。
　　
　　3.1系統(tǒng)模態(tài)分析
　　
　　將用inventor建立的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ansysworkbench中，并合理設(shè)置系統(tǒng)的邊界條件，以此對該系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，其結(jié)果如圖4所示。
　　
　　該系統(tǒng)為三自由度振動(dòng)系統(tǒng)，存在三個(gè)主振動(dòng)，而高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)是利用其
　　
　　中的第三主振動(dòng)的固有頻率工作的，即激振器產(chǎn)生一個(gè)172Hz的激勵(lì)時(shí)，使系統(tǒng)在第三主振動(dòng)下產(chǎn)生共振，此時(shí)，對試樣加載力zui大。由于系統(tǒng)阻尼的存在，根據(jù)之前理論推導(dǎo)，產(chǎn)生zui大加載力時(shí)的激勵(lì)頻率略低于固有頻率。　　3.2系統(tǒng)諧響應(yīng)分析
　　
　　將激振力導(dǎo)入到ansys中，模擬實(shí)際設(shè)備在特定激振頻率下的系統(tǒng)響應(yīng)特性，可以得出系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性、相頻響應(yīng)特性以及系統(tǒng)各零件的剛度、強(qiáng)度等響應(yīng)特性，對工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。
　　
　　4發(fā)展方向
　　
　　國內(nèi)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)種類很多，但主要是靜態(tài)加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式有所差異，而動(dòng)態(tài)加載部分的振動(dòng)方式基本相似，即都可zui終簡化為單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)對試樣進(jìn)行加載。由于受電磁激振器激振力的限制，很難實(shí)現(xiàn)大噸位高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。如何通過改進(jìn)動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)的振動(dòng)原理，進(jìn)而有效地增加共振效率，是今后電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。