压电驱动式高频疲劳试验机构设计理论与性能试验研究

提出以压电体(PZT、PLZT或PMN)为驱动源构造一种新型高频疲劳试验机构，研究它的系统构成方法，以及在结构设计、交变加载、精度控制、频率跟踪等方面的基础理论与基本技术问题，解决系统谐振与慢变参数下系统动态稳定性问题。为高频率、小体积的压电驱动式高频疲劳试验机设计与制造提供依据，为微小与硬脆材料构件、高频受力构件疲劳性能的检测提供一种新方法。实现压电驱动下较高稳定性与准确性的高频拉压交变加载，并以数个试样的有效性试验为例，确认高频疲劳检测的可行性；试制双晶片压电振子式、压电叠堆驱动式高频疲劳试验样机构每种最少2台。计划发表论文总数不少于10篇，完成博士论文2部、硕士论文2部，申报或获得专利权两项。

采用压电振子作为驱动元件，并利用系统共振的方法，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驱动高频疲劳试验机（以下简称“压电疲劳机”），并进行了相关的设计理论、动力学分析、仿真和样机实测。具体工作包括：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，并应用有限元法和实测法验证了理论建模的合理性与求解的正确性；建立了压电疲劳机的动力学模型，获得了其系统的动态特性，确定了零部件参数的设计原则；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，确定了第14阶振动模态为压电疲劳机工作的主振型，研究了压电疲劳机主要零部件9个参数的变化对其主振型固有频率的影响、变化规律和原因；试制了多种参数的零部件，装配了3台样机，改变样机的某一重要零部件参数，分别测试样机在六个不同驱动电压下作用在试件上的最大动载荷，分析了样机各个参数变化对作用在试件上的最大动载荷的影响、变化规律和原因。以材料为HT100的试件为例，应用本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352.4 Hz，绘制了HT100的S-N曲线，得到了其1.18×108循环周次的疲劳极限为23.049 MPa，应用扫描电镜观察了疲劳断裂的HT100试件断口形貌,分析了裂纹源、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。