仪器化压入仪机架受力变形及模态的有限元分析

机械设计与制造　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第１期　２０１３年１月　仪器化压入仪机架受力变形及模态的有限元分析　郭俊宏，马德军，陈伟，宋仲康　（装甲兵工程学院机械工程系，北京１０００７２）　摘要：利用ＡＢＡＱＵＳ分析软件，对高精度仪器化压入仪机架受力变形情况及模态进行了有限元分析。得到了机架受力　时倾斜角度的变化规律以及机架的固有频率和振型。分析结果表明：机架倾斜造成的载荷测量值与真实压入载荷之间的　百分比误差处于１０—８量级，机架倾斜对压入载荷的测试精度基本不构成影响。机架前六阶的固有频率均处于低频范围，　因此，测试时高精度仪器化压入仪的加／卸栽过程应控制在准静态状态，且高精度仪器化压入仪应配备具有较好低频振动　隔离特性的隔振台。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。　关键词：仪器化压入仪；机架；受力变形；模态分析　中图分类号：ＴＨ１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３９９７（２０１３）０１—１３０８６—０３　Ｌｏａｄｉｎｇ　Ｄｅ｛ｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｓｔｅｒ　ａｎｄ　Ｍｏｄａｌ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ＧＵＯ　Ｊｕｎ－ｈｏｎｇ，ＭＡ　Ｄｅ－ｊｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ，ＳＯＮＧ　Ｚｈｏｎｇ－ｋａｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ａｒｍｏｒｅｄ　Ｆｏｒｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｊ￣Ｗ￣ｌｒｅ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｎ６ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｉｍｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｅｒｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ－Ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｎ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｅ　ｄｅｒｉｖｅｅＬＴｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｃｅｎｔ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆｌｏａｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｖａｌｕｅｓ　ａｎｄ　ｔｒｕｅ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｌｏａｄ　ｖａｌｕｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｇｅ　ｉｓ　ｉｎ　１０—８ｏｒｄｅｒ．Ｆｒａｍｅ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｎｅａｒｌｙ　ｎｏ　ｅｆｆｅｃｔ　Ｏｎ　ｌｏａｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ－Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｉｎ　ｌｏｗ　ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ￣ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｋｅｐｔ　ｉｎ　ｑｕａｓｉ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｅｒ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐｌａｃｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｋ　ｗｈｗｈ　ｉｓ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｔｏ　ｉｓｏｌａｔｅ　ｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｓｔｅｒｆｒａｍｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｉｍｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｓｔｅｒ；Ｆｒａｍｅ；Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｍｏｄａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　１引言　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。作为一种精密的微／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ｇ￣ｔｌ－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一半。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。建立模型应符合以　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一致。（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　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　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：郭俊宏，（１９８２一），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，（１９６４一），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．１　Ｊａｎ．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。　参考文献　［１］ＯｌｉｖｅｒＷｃ，Ｐｈａ”ＧＭ．ＡｎＩｍｐｒｏｖｅｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇＨａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｅｌａｓｔｉｃ－ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｌ０ａｄ　ａｎｄ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］Ｊ，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ，１９９２，７（６）：１５６４—１５８８．　［２］ＰＨＡＲＲＧＭ，ＣＨＥＮＧＹＴ，ＨＵＴＣＨＩＮＧＳＩＭ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎａｄｖａｎｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．。２００９，２４（３）：５７９—５８０．　［３］Ｕｌｌｎｅｒ　Ｃｈ，Ｒｅｉｍａｎｎ　Ｅ，Ｋｏｈｌｈｏｆｆ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｍａｃｒｏ　Ｒａｎｇｅ　ｏｆ　Ｉｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　［Ｊ］＿Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１０，４３（３）：２１２—２１６．　［４］Ｌｕｃｃａ　Ｄ　Ａ，Ｈｅｒｒｍａｎｎ　Ｋ，Ｋｌｏｐｆｓｔｅｉｎ　Ｍ　Ｊ．Ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ：Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０（５９）：　８０３—８１９．　［５］马德军．材料力学性能仪器化压人测试原理［Ｍ］．北京：国防工业出版　社，２０１０．　（Ｄ．Ｍａ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂｙ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｅｓｓ．２０１０．）　［６］马德军，宋仲康，郭俊宏等．一种高精度仪器化压人仪及金刚石压头　压人试样深度的计算方法：中国，２０１１１０１１８４６４．９［Ｐ］，２０１１－１２—２１．　（Ｄ．Ｍａ，Ｓｏｎｇ　Ｚｈｏｎｇ－ｋａｎｇ，Ｇｕｏ　Ｊｕｎ—ｈｏｎｇ，ｅｔ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｓｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｉｎｄｅｎｔｅｒ　ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｓａｍｐｌｅ：Ｃｈｉｎａ，２０１１１０１１８４６４．９ｌＰ　Ｊ，　２０１１－１２—２１．）　【７］宋仲康，马德军，陈伟．微压入仪的设计与柔度分析［Ｊ］．机械设计与制　造，２０１０（１）：２６—２８．　Ｚｈｏｎｇｋａｎｇ　ＳＯＮＧ，Ｄ．Ｍａ，Ｗｅｉ　Ｃｈｅｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｎ－ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｅｒ．Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ。２０１２（１）：　２６—２８．　［８］Ｈｉｂｂｉｔｔ，Ｋａｒｉｓｓｏｎ，Ｓｏｒｅｎｓｅｎ　Ｉｎｃ．ＡＢＡＱＵＳ　ｔｈｅｏｒｙ　ｍａｎｕａｌ　ｖｅｒｓｉｏｎ　６．１　１　［Ｍ］．Ｐａｗｔｕｃｋｅｔ，２０１１．　（上接第８５页）　参考文献　［１］杨淑莹．图像模式识别：ｖｃ＋＋技术实现［Ｍ］．北京：清华大学出版社，北　京交通大学出版社，２００５：５－７．　（Ｙａｎｇ　Ｓｈｕ－ｙｉｎｇ．Ｉｍａｇｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｃ＋＋［Ｍ］．　Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，　２００５：５—７．）　［２］翟家芸．采用图像分析方法检测钢坯表面裂纹［Ｊ］．山西冶金，２００３（１）：　２３—２４．　（Ｄｉ　Ｊｉａ—ｙｕｎ．Ｔｏ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｂｉｌｌｅｔ　ｂｙ　ｉｍａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＳｈａｎＸｉＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＰｒｅｓｓ，２００３（１）：２３—２４．）　［３］游福成擞字图像处理【Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１１：４１—６５．　（Ｙｏｕ　Ｆｕ－ｃｈｅｎｇ．Ｄｉｇｉｔａｌ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２０１１，４１—６５．）　［４］姜锡山．浅析钢坯表面缺陷［Ｊ］．特殊钢，１９９１，１２（６）：４６—４９．　（ＪｉａｎｇＸｉ—ｓｈａｎ．Ｂｒｉｅｆａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅ　ｓｔｅｅｌｂｉｌｌｅｔ［Ｍ］　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｓｔｅｅｌ　Ｐｒｅｓｓ，１９９１，１２（６）：４６－４９．）　［５］叶柳成．基于图像识别技术的零部件表面裂纹检测系统研究［Ｊ］．科技　信息，２０１０（２０）：１６—１７．　（Ｙｅ　Ｌｉｕ－ｅｈｅｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｒａｃｋｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｍａｇｅ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，２０１０，　（２０）：１６—１７．）　［６］蒋爱花．图像边缘处理技术［Ｊ］．科学技术与工程，２００５，５（５）：２９８—３００．　（Ｊｉａｎｇ　Ａｉ－ｈｕａ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｄｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ［Ｊ］．　ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｅｓｓ，２００５，５（５）：２９８—３００．）　［７］翟俊海周像特征提取研究［Ｊ］．河北大学学报，２００９，２９（１）：１０６一ｌｌＯ．　（Ｄｉ　Ｊｕｎ—ｈａ１．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｉｍａｇｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐａｐｅｒｓ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，２９（１）：１０６－１１０．）　［８］陈天华．数字图像处理［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７．　（ＣｈｅｎＴｉａｎ－ｈｕａ．Ｄｉｇｉｔａｌｉｍ　ｇｅｐｒｏｃｅｓ８ｉｎｇ【Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ．２００７．）