1前言
　　
　　疲勞失效是構件在名義應力低于強度極限，甚至低于屈服極限的情況下，突然發(fā)生斷裂的行為。飛機、車輛和機器發(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，材料和構件的疲勞特性引起了人們的重視。高頻疲勞試驗機主要用于測量金屬材料及構件在拉、壓或拉壓交變負荷下的疲勞性能。由于采用共振原理，它具有試驗頻率高、激振功率低的特點，被各大高校、科研院所、工廠企業(yè)所廣泛應用。本文結合廣州澳金工業(yè)GPS系列電磁諧振式高頻疲勞試驗機的基本結構，建立機械振動系統(tǒng)的動力學模型。通過對不同子系統(tǒng)固有頻率的計算分析，將三自由度振動系統(tǒng)簡化為單自由度振動系統(tǒng)，建立了相應的數(shù)學模型，并將系統(tǒng)的阻尼考慮進來，使該模型更準確、合理地反映試驗機的實際振動狀態(tài)。利用Inventor軟件建立了高頻疲勞試驗機的實體模型，將其導入ansysworkbench的模態(tài)分析模塊，得到該系統(tǒng)各階振型圖，即設備在不同試驗頻率下的振動狀態(tài)。
　　
　　2高頻疲勞試驗機振動系統(tǒng)動力學模型
　　
　　2.1GPS系列高頻疲勞試驗機總體結構
　　
　　高頻疲勞試驗機主機部分主要由靜態(tài)加載系統(tǒng)和動態(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)通過私服電機驅動一對渦輪絲杠副帶動橫梁上下運動，從而對試樣施加靜態(tài)力和調整試驗空間。動態(tài)加載系統(tǒng)主要由激勵電磁鐵、銜鐵、弓形環(huán)、瑪法組成，相當于一個質量-彈簧振動系統(tǒng)。　　2.2高頻疲勞試驗機各子系統(tǒng)模態(tài)分析
　　
　　幾點假設：由于弓形環(huán)在振動過程中產(chǎn)生較大的變形，其質量相對于本系統(tǒng)來說可以忽略不計，故可簡化為一彈性元件。質量很大，故可將其視為一無彈性的質量。相對系統(tǒng)的諧振質量和機架質量，試樣的質量很小，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)上述幾點假設，可將該振動系統(tǒng)分解為三個質量-彈簧系統(tǒng)，即電池激勵器子系統(tǒng)、機架子系統(tǒng)以及瑪法加載子系統(tǒng)組成（如圖2所示）。　　2.3高頻疲勞試驗機振動系統(tǒng)動力學分析
　　
　　高頻疲勞試驗機工作頻率在100Hz-250Hz左右，由振動學理論可知，電池激勵器子系統(tǒng)和機架子系統(tǒng)的固有頻率要遠低于系統(tǒng)的工作頻率，從而電磁激勵器與機架子系統(tǒng)在動態(tài)加載過程中可認為是靜止的，即該結論可以理解為：在激振頻率遠高于固有頻率時，質量不能跟上力的快速變化，停留在原位置不動。根據(jù)上述原則，可將高頻試驗機的動力學模型簡化為圖3所示形式，此時考慮系統(tǒng)阻尼的影響。
　　
　　關于系統(tǒng)阻尼的說明：在高頻疲勞試驗機的工作過程中，必然有阻尼的存在，如材料阻尼、相對運動阻尼等。阻尼系數(shù)是高頻疲勞試驗機較為重要的參數(shù)之一，此系數(shù)影響試樣的加載力、共振頻率等關鍵參數(shù)。　　3仿真分析
　　
　　在上述對高頻試驗機的理論建模分析中，將三自由度振動系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)進行了理論計算，而利用現(xiàn)有計算機仿真技術可以更地推算和模擬設備在實際工作狀態(tài)時的振動響應特性，現(xiàn)利用ansysworkbench對該系統(tǒng)進行模態(tài)和諧響應分析。
　　
　　3.1系統(tǒng)模態(tài)分析
　　
　　將用inventor建立的高頻疲勞試驗機模型數(shù)據(jù)導入ansysworkbench中，并合理設置系統(tǒng)的邊界條件，以此對該系統(tǒng)進行模態(tài)分析，其結果如圖4所示。
　　
　　該系統(tǒng)為三自由度振動系統(tǒng)，存在三個主振動，而高頻疲勞試驗機是利用其
　　
　　中的第三主振動的固有頻率工作的，即激振器產(chǎn)生一個172Hz的激勵時，使系統(tǒng)在第三主振動下產(chǎn)生共振，此時，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，產(chǎn)生zui大加載力時的激勵頻率略低于固有頻率。　　3.2系統(tǒng)諧響應分析
　　
　　將激振力導入到ansys中，模擬實際設備在特定激振頻率下的系統(tǒng)響應特性，可以得出系統(tǒng)的幅頻響應特性、相頻響應特性以及系統(tǒng)各零件的剛度、強度等響應特性，對工程設計有一定的指導意義。
　　
　　4發(fā)展方向
　　
　　國內(nèi)高頻疲勞試驗機種類很多，但主要是靜態(tài)加載系統(tǒng)結構形式有所差異，而動態(tài)加載部分的振動方式基本相似，即都可zui終簡化為單自由度的振動系統(tǒng)對試樣進行加載。由于受電磁激振器激振力的限制，很難實現(xiàn)大噸位高頻疲勞試驗機產(chǎn)品的開發(fā)設計。如何通過改進動態(tài)加載系統(tǒng)的振動原理，進而有效地增加共振效率，是今后電磁諧振式高頻疲勞試驗機的一個重要發(fā)展方向。