1 前言
疲劳失效是构件在名义应力低于强度极限，甚至低于屈服极限的情况下，突然发生断裂的行为。飞机、车辆和机器发生的事故中，有很大比例是零部件疲劳失效造成的。这类事故常常带来很大的损失和伤亡，因此，材料和构件的疲劳特性引起了人们的重视。高频疲劳试验机主要用于测量金属材料及构件在拉、压或拉压交变负荷下的疲劳性能。由于采用共振原理，它具有试验频率高、激振功率低的特点，被各大高校、科研院所、工厂企业所广泛应用。本文结合广州澳金工业GPS系列电磁谐振式高频疲劳试验机的基本结构，建立机械振动系统的动力学模型。通过对不同子系统固有频率的计算分析，将三自由度振动系统简化为单自由度振动系统，建立了相应的数学模型，并将系统的阻尼考虑进来，使该模型更准确、合理地反映试验机的实际振动状态。利用Inventor软件建立了高频疲劳试验机的实体模型，将其导入ansys workbench的模态分析模块，得到该系统各阶振型图，即设备在不同试验频率下的振动状态。
2 高频疲劳试验机振动系统动力学模型
2.1 GPS系列高频疲劳试验机总体结构
高频疲劳试验机主机部分主要由静态加载系统和动态加载系统组成（图1所示）。其中静态加载系统主要包括横梁、立柱、底座、弓形环，该系统通过私服电机驱动一对涡轮丝杠副带动横梁上下运动，从而对试样施加静态力和调整试验空间。动态加载系统主要由激励电磁铁、衔铁、弓形环、玛法组成，相当于一个质量-弹簧振动系统。
2.2 高频疲劳试验机各子系统模态分析
几点假设：由于弓形环在振动过程中产生较大的变形，其质量相对于本系统来说可以忽略不计，故可简化为一弹性元件。质量很大，故可将其视为一无弹性的质量。相对系统的谐振质量和机架质量，试样的质量很小，而其刚度相比弓形环，不可忽略，故将试样简化为一刚度较大的弹性元件。根据上述几点假设，可将该振动系统分解为三个质量-弹簧系统，即电池激励器子系统、机架子系统以及玛法加载子系统组成（如图2所示）。
2.3 高频疲劳试验机振动系统动力学分析
高频疲劳试验机工作频率在100Hz-250Hz左右，由振动学理论可知，电池激励器子系统和机架子系统的固有频率要远低于系统的工作频率，从而电磁激励器与机架子系统在动态加载过程中可认为是静止的，即该结论可以理解为：在激振频率远高于固有频率时，质量不能跟上力的快速变化，停留在原位置不动。根据上述原则，可将高频试验机的动力学模型简化为图3所示形式，此时考虑系统阻尼的影响。
关于系统阻尼的说明：在高频疲劳试验机的工作过程中，必然有阻尼的存在，如材料阻尼、相对运动阻尼等。阻尼系数是高频疲劳试验机较为重要的参数之一，此系数影响试样的加载力、共振频率等关键参数。
3 仿真分析
在上述对高频试验机的理论建模分析中，将三自由度振动系统简化为单自由度系统进行了理论计算，而利用现有计算机仿真技术可以更精确地推算和模拟设备在实际工作状态时的振动响应特性，现利用ansys workbench对该系统进行模态和谐响应分析。
3.1 系统模态分析
将用inventor建立的高频疲劳试验机模型数据导入ansys workbench中，并合理设置系统的边界条件，以此对该系统进行模态分析，其结果如图4所示。
该系统为三自由度振动系统，存在三个主振动，而高频疲劳试验机是利用其
中的第三主振动的固有频率工作的，即激振器产生一个172Hz的激励时，使系统在第三主振动下产生共振，此时，对试样加载力最大。由于系统阻尼的存在，根据之前理论推导，产生最大加载力时的激励频率略低于固有频率。
3.2 系统谐响应分析
将激振力导入到ansys中，模拟实际设备在特定激振频率下的系统响应特性，可以得出系统的幅频响应特性、相频响应特性以及系统各零件的刚度、强度等响应特性，对工程设计有一定的指导意义。
4 发展方向
国内高频疲劳试验机种类很多，但主要是静态加载系统结构形式有所差异，而动态加载部分的振动方式基本相似，即都可最终简化为单自由度的振动系统对试样进行加载。由于受电磁激振器激振力的限制，很难实现大吨位高频疲劳试验机产品的开发设计。如何通过改进动态加载系统的振动原理，进而有效地增加共振效率，是今后电磁谐振式高频疲劳试验机的一个重要发展方向。 |
