仪器化压入仪机架受力变形及模态的有限元分析

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随着精密、超精密加工技术的发展，仪器化压人仪以其微区和无损测试的突出优势，在小尺度材料力学性能测试领域得到了广泛的应用。作为-种精密的微/纳米量级测试设备，仪器机架的静态和动态性能对仪器的测试精度均会构成影gtl-41，因此有必要对仪器化压入仪机架的静态和动态特陛进行研究。针对高精度仪器化压人仪呻机架的模态和受力倾斜问题展开研究，利用有限元模拟嗍的方法得到了机架的固有频率、振型以及工作载荷与机架倾斜角度之间的关系。研究为高精度仪器化压入仪机架的设计和改进提供了依据。

2有限元分析建模高精度仪器化压入仪为中心面对称结构。机架受力倾斜问题的分析，只须建立仪器物理模型的-半。模态分析使用了仪器机架的完整模型进行分析。

2.1机架受力倾斜问题建模高精度仪器化压入仪硬件部分主要由机架，音圈电机、压杆、载荷传感器、位移传感器以及压头等部件组成，如图 1所示。

对机架进行静态特性分析，首先必须建立整机的三维实体模型。

使用SolidWorks软件按照整机的设计参数建立模型，并将该模型输入到ABAQUS软件中转化为CAE模型〃立模型应符合以下的基本原则：(1)模型的结构特性、零件材质、约束及受力应与仪器的实际工作情况保持-致。(2)对所研究问题不构成影响的小特征，比如倒角、倒圆、工艺孑L等应进行适当的简化。按照以上原则。模型中各部件的建模参数均与实体相同。机架和压杆的材料为不锈钢 304，音圈电机外壳材料为结构钢，这两种材料具体的力学性能参数取值，如表 1所示。

表 1有限元软件中设置的材料参数Tab.1 Material Property Parameters ofFinite Element Software由于位移传感器、载荷传感器等部件对机架受力倾斜问题不够成影响，模型中取消了位移传感器并将载荷传感器简化为压来稿日期：2012-03-17基金项目：国家自然科学基金项目(10672185)作者简介：郭筷，(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向为机械设计与强度分析；马继军，(1964-)，男，山东，博士生导师，主要研究方向为微天尺度材料力学性能测试理论技术88 机械设计与制造No.1Jan.2013(b)机架第三阶固有振型(c)机架第五阶固有振型图4仪器机架的固有振型Fig.4 Instrumented Indentation Tester Frame Natural Frequencies通过有限元模态分析可以看出，高精度仪器化压入仪机架对低频率振动较为敏感，工作过程中应注意避免低频振动的扰动。对此，提出以下两点应对措施：(1)降低仪器加/卸载过程的速率，使加脚 载过程在准静态的状态中完成。(2)高精度仪器化压入仪应配备低频过滤性能较好的隔振台。

5结束语建立了高精度仪器化压人仪整机的有限元模型，对仪器机架受力倾斜问题以及机架的动态特性进行了研究。

(1)在(10-100)N的工作载荷范围内，对高精度仪器化压入仪机架受力倾斜程度与工作载荷之间的对应关系进行研究，分析了机架倾斜对载荷测量精度的影响。研究表明。机架倾斜造成的载荷测量值与真实压人载荷之间的百分比误差处于 104量级，机架倾斜对载荷测试精度基本不构成影响。

(2)分析了高精度仪器化压入仪机架的模态，得到了机架的固有频率和振型。机架的前六阶固有频率均属低频范围，因此仪器工作时应控制加，卸载过程的速率，使工作过程处于准静态状态，且仪器应配备低频过滤性能较好的隔振台。