小载荷疲劳试验系统的时变、时滞控制与动态加载稳定性研究

In view of the current status of fatigue testing technology and equipment at home and abroad, this project first proposes a fatigue testing machine that is capable of applying alternating micro-load. And according to the time-varying and time-delay characteristics of micro-load fatigue test system to solve the problems such as system dynamic response and micro-loading stability under slow-changing parameters of specimen, the time-delay and its elimination in the system closed-loop control process, and the harmful effects and control of jig impact momentum. By studying the fundamental theoretical issue and basic technology problem of testing machine in the aspects of structure design, system resonance, precision control, frequency tracking and so on, the technology and method of micro-load high-precision loading and wide-band work control are obtained. It lays the foundation for developing and forming a kind of fatigue testing technology with micro-load and large-displacement. Moreover, it may form a test method for tiny devices and biological devices to obtain dynamic performance data under service conditions, and provide technical means for discovering and revealing the related mechanical behaviors, deformation damage mechanisms and performance evolution rules. Trial system equipment at least 2 units, their main mechanical parameters are: dynamic loading range of 0.1N ~ 100N, load amplitude accuracy 0.01N, static load range of 0.01N ~ 50N, working frequency range of 0 ~ 400 Hz, and the maximum displacement when stretching is not less than 5mm.

本项目针对国内外疲劳性能检测技术及其装备的现状，首先提出一种可施加交变小载荷疲劳试验系统，并根据这一系统工作的时变、时滞特点，解决试件参数慢变下的系统动态响应与小载荷加载稳定性问题、系统闭环控制过程中的时滞及其消除问题、夹具冲击动量有害性影响及其控制问题，研究其在结构设计、系统谐振、精度控制、频率跟踪等方面的基础理论与关键技术问题。获得小载荷高精度加载与宽频域工作控制技术与方法，为开发形成一种具备施加小载荷、大位移的疲劳检测技术装备奠定基础。可能形成为微小器件与生物器件获取服役条件下的动力学性能数据的一种测试方法，为发现并揭示其相关的力学行为、变形损伤机制与性能演变规律提供技术手段。试制系统装置最少2台，主要力学参数为：动态加载范围0.1N～100N，载荷幅值精度0.01N，可加预置载荷(静载荷)范围0.01N～50N，工作频率范围0～400 Hz，拉伸时最大位移不小于5mm。

疲劳试验是研究材料力学特性的一项重要环节。项目针对国内外疲劳性能检测技术及其装备的现状，提出了一种可施加交变小载荷的疲劳试验系统，进行系统工作时变、时滞特点的稳定性研究，具体内容包括：①提出小载荷压电驱动单元，分别采用悬臂梁式压电驱动振子与四周固支的圆环型压电振子驱动理论，计算不同尺寸参数下，悬臂梁式驱动器基板和压电陶瓷的厚度对输出位移、固有频率影响，考虑磁力作用式压电悬臂梁系统，进行了动力学建模和分析，以磁体间距d=2.2mm，2.6mm，3.0mm为条件，分析势能分布、系统刚度、分布特点，通过比较振幅-幅频曲线、加速度-幅频曲线，得到引入非线性磁力，可以有效降低系统共振频率，增加振幅，加速度最大增强52.7%。进而研究非线性悬臂梁系统在不同电压下驱动能力；②对圆环压电振子尺寸参数设计，并进行了初步的仿真分析，研究了材料、金属尺寸厚度对位移、电压关系，模态及谐响应，制作了压电振子，测定固有频率，优化压电振子振动参数，进行合理控制和分配。对动态载荷调整机构振动表现和能量损耗过程进行数学建模，试验测定实际阻尼，明确改善小载荷疲劳试验机用于不同工况下系统参数的搭配；③搭建测试系统，试验测定各部件实际阻尼、质量、刚度，对整个试验系统建立数学模型，以固有频率为优化目标，进行优化；④对系统时变现象进行数学建模，综合给出以参数慢变为主的非线性动力学参数条件下疲劳试验系统的动态行为与规律。⑤试制样机，分析传感器示值与试件理论数值，建立电压幅度、相位、频率等对系统谐振状态的影响关系，对传感器信号进行分析，提取特征。给出系统由稳态系统过度到非稳态系统时参数分岔特征。通过上述工作，结合理论与实际试验两方面探索了疲劳试验中试验机参数时变、时滞与对系统稳定性影响规律，本项目为小载荷疲劳试验系统提供了一种新型构造方法。