电磁谐振式疲劳试验系统设计及其性能评估研究

摘要

金属疲劳问题自其被发现之日起，便是工程界和科研界着力想解决的问题。经过近两百年的发展，人们对金属疲劳的机理已经有了一定的掌握，预防、减缓疲劳的方法也有了很大的进步。但是随着工业的快速进步，机械使用的环境越来越严苛，人们对机械设备的抗疲劳性能要求也越来越高，金属抗疲劳问题面临了新的挑战。
　　金属疲劳试验机作为测定金属材料疲劳性能的基本设备，是新材料研究、新产品开发过程中必不可少的工具。因此，疲劳试验机水平的高低在一定程度上反应了疲劳研究的发展水平。经过多年的努力，驱动方式各异、作用力方式不同的疲劳试验机蓬勃发展。针对不同材料、不同结构的疲劳试验机也越来越多样化、集成化、现代化。
　　本文基于电磁谐振的原理开发了一款材料平面弯曲疲劳试验机。本文研究的主要内容如下：
　　1）阐述本电磁谐振式疲劳试验系统的工作原理；利用 Abaqus对装配有不同裂纹深度试件的谐振系统进行详细的模态及强迫振动分析，并基于此提出试验系统载荷标定及恒载荷控制的方法。
　　2）对系统主体部分（包括控制系统）的设计进行了说明；探究了疲劳试验过程中频率追踪的方法；对系统扫频过程中的滞后现象进行了研究，提出了通过正反两次扫频来快速获取固有频率的方法。
　　3）使用45号钢试样的弯曲疲劳试验对本试验系统性能进行了评估，验证了其电磁谐振系统、数据采集系统以及频率追踪方式的可靠性；通过统计断裂试样的位置验证了有限元分析结果的正确性；绘制了45号钢的S-N曲线并将其疲劳极限与旋转弯曲疲劳试验的结果进行了对比，验证了试验系统的准确性。
　　相较于电液伺服式疲劳试验机和一些其他大型的共振式疲劳试验机，新开发的电磁谐振疲劳试验系统具有结构简单紧凑、工作频率高、工作噪声小、能量消耗低、机器损耗小等特点。

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第一章 绪论

1.1疲劳理论概述

1.2疲劳试验机概述

1.3论文的主要研究内容及意义

第二章电磁谐振式疲劳试验系统原理及设计

2.1电磁谐振式疲劳试验系统工作原理

2.2系统主体部分设计

2.3电磁谐振疲劳试验系统谐振性能分析

2.4试验系统载荷标定

2.5试验流程

2.6本章小结

第三章 电磁谐振式疲劳试验系统控制系统设计

3.1控制系统功能需求分析

3.2控制软件开发及界面介绍

3.3疲劳试验过程中频率追踪方法

3.4谐振系统扫频分析研究

3.5本章小结

第四章 电磁谐振式疲劳试验系统的性能评估和应用实例

4.1电磁谐振弯曲疲劳试验系统性能评估

4.2电磁谐振疲劳试验机应用实例

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果