谐振式材料疲劳试验系统固有频率跟踪技术的研究

论文摘要

谐振式高频疲劳实验机是一种基于共振原理的电磁式谐振式的金属材料试验机,主要用于测定金属以及合金在室温条件下的拉伸、压缩的疲劳性能。这种试验机的特点是高负荷、高频率、低消耗,由于这些特性使得试验的试件缩短,费用降低,是我国工业发展的主要测试设备之一。目前,高频疲劳试验机的主要问题是试件刚度变化过程中振动载荷的精度控制与固有频率的实时跟踪。本文主要对固有频率的实时跟踪展开研究。本文的主要研究工作如下所示:1.从谐振式高频疲劳试验机的结构和振动分析出发,建立了谐振式高频疲劳试验机的数学模型。采用ANSYS软件计算了系统激振弹簧与主振弹簧以及标准CT试件的刚度,据此求出了试件刚度及系统固有频率和裂纹长度的函数关系,结合裂纹随时间变化的实验数据,最后得到系统固有频率随时间的变化拟合函数,通过对此函数求一次导数得到系统的频率变化率。2.对谐振式高频疲劳系统的频率跟踪算法进行了研究,提出了改良以后的爬山法,自适应搜索算法和根据裂纹长度推算系统固有频率的区域寻优算法。并通过理论与实验比较了三种算法的优缺点。3.完成了谐振式材料疲劳试验系统固有频率跟踪软硬件设计,其中包括正弦波发生器、信号采集模块、人机交互的软硬件设计及固有频率跟踪相关上、下位机软件设计。4.利用实验平台完成了以下三个实验:(a)对多个标准CT试件在裂纹长度相同的情况下进行扫频;(b)频率跟踪算法的比较实验;(c)疲劳试验过程中裂纹长度的测量。并对得到的实验数据进行了分析。本文对高频疲劳试验机的固有频率、频率跟踪算法、正弦波信号发生器、数据采集模块等做了分析和研究,为疲劳试验技术的发展做出了贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的研究背景和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内外疲劳试验机产品
• 1.3.2 基于FPGA技术的高频疲劳试验机控制器
• 1.3.3 PWM脉宽调制型控制器
• 1.3.4 谐振系统频率跟踪技术
• 1.4 高频疲劳试验机的工作原理
• 1.4.1 主机的结构
• 1.4.2 疲劳实验的过程
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 高频疲劳试验机固有频率分析
• 2.1 引言
• 2.2 电磁激振系统的分析
• 2.2.1 电磁激振器结构及工作原理
• 2.2.2 高频疲劳试验机电磁力的计算
• 2.3 无阻尼情况下系统的建模
• 2.3.1 系统模型的简化
• 2.3.2 系统固有频率的计算
• 2.4 ANSYS简介
• 2.5 拉升型试件刚度的分析
• 2.5.1 试件模型的建立
• 2.5.2 试件网格的划分
• 2.5.3 试件的加载和约束
• 2.5.4 求解及结果分析
• 2.5.5 试件刚度随裂纹的变化曲线
• 2.6 主振弹簧和激振弹簧刚度分析
• 2.7 试件裂纹随时间的变化
• 2.8 系统固有频率随时间的变化
• 2.9 本章小结
• 第三章 高频疲劳试验机固有频率跟踪算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 优选法概述
• 3.3 爬山算法
• 3.4 自适应搜索算法
• 3.5 根据裂纹长度推算固有频率的区域寻优算法
• 3.6 几种算法的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 DSP处理器
• 4.3 TMS320F2812芯片简介
• 4.4 课题的硬件总体构架
• 4.5 课题电路的设计
• 4.5.1 电源电路
• 4.5.2 复位电路
• 4.5.3 时钟电路
• 4.5.4 JTAG调试电路
• 4.5.5 串口电路
• 4.5.6 滤波及反向电路
• 4.5.7 信号调理电路
• 4.6 PCB电路板的设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 系统的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 软件开发平台CCS集成开发环境介绍
• 5.2.1 开发环境CCStudio v3.3
• 5.2.2 CCStudio v3.3的开发流程
• 5.3 软件的总体设计
• 5.4 DSP软件编程步骤
• 5.5 串口通讯程序设计
• 5.5.1 串口通讯协议
• 5.5.2 下位机串口程序设计
• 5.6 正弦波发生器的设计
• 5.7 A/D采样程序设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 高频疲劳试验机固有频率的实验研究
• 6.1 实验的内容
• 6.2 实验平台的介绍
• 6.3 扫频实验
• 6.3.1 实验的内容与目的
• 6.3.2 实验的步骤
• 6.3.3 实验的数据记录及结果分析
• 6.4 频率跟踪算法的跟踪精度实验
• 6.4.1 实验的内容和目的
• 6.4.2 实验的主要步骤
• 6.4.3 实验数据记入与结果分析
• 6.5 疲劳试验过程中裂纹长度的测量
• 6.5.1 疲劳试验过程中裂纹长度的测量实验的内容及目的
• 6.5.2 疲劳试验过程中裂纹长度的测量实验的步骤
• 6.5.3 实验的数据与结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果
• 致谢