在交变载荷作用下零部件的失效主要是由于疲劳破坏引起的。由于目前尚无法通过理论准确预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳寿命,而通过试验测出材料或构件的疲劳寿命是最为有效的方法。近年来,微电子技术、微机电技术及生物仿生技术发展活跃,诞生出一系列微机电器件及仿生器件。此类器件服役条件多为高频交变小载荷,极易发生疲劳破坏,因此作为产品可靠性、耐久性判定的疲劳检测技术的需求与发展最为突出,形成了近年来最为热门的研究方向之一。纵观国内外疲劳检测技术及其装备的研究现状发现,国内外现有疲劳试验机大多数都是针对宏观尺度器件设计的,一般采用电磁驱动式及电液伺服式,主要适用于金属等材料的疲劳试验,其动态加载普遍为500N以上,最大可达数十万牛。且对于试验过程中试件参数慢变所带来的时变问题缺乏研究,也没有提出必要的控制措施与相应的解决办法,普遍存在动态载荷大、加载精度不高等问题,目前均不能生成交变小载荷以满足微机电器件及仿生器件的疲劳试验加载需求。由于压电材料具有响应快、无电磁干扰、分辨率高、变形精度高等特点,常用作高速、高精度的驱动源使用,基本可以满足微机电器件及仿生器件的疲劳加载要求,因此以压电材料作为驱动源的疲劳试验机受到了研究者的青睐。本文结合国家自然科学基金项目《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》,首先设计了一种可施加0.1N~100N范围的下置驱动式压电高频疲劳试验样机,进行了仿真分析、动力学分析,研究了系统谐振、参数慢变对系统动态响应的影响规律等方面的基础理论,最后试制了疲劳试验样机并进行了一系列试验。主要研究内容如下:(1)综述了目前针对微机电器件及仿生器件的几种典型的疲劳检测技术及国内外疲劳检测技术与装备、压电式疲劳试验机的研究现状。(2)阐述了下置驱动式压电高频疲劳试验机的结构组成、各组成单元的功能及疲劳检测实现的机理;详细说明了力检测机构所包含的各元件的技术参数及作用;对弹性环进行了强度分析及疲劳分析,确保疲劳试验的稳定性与可靠性。(3)压电振子仿真及试验分析。结合几种常用的压电陶瓷材料的特性及应用场合、压电振子基板材料的要求,选定压电振子所用材料;通过Ansys仿真软件确定压电材料与金属基板的厚度尺寸;对选定尺寸的压电振子进行了静力学仿真分析,具体涉及有位移与电压关系仿真、力与电压关系仿真;对选定尺寸的压电振子进行了动力学分析,具体涉及有模态分析及谐响应分析;制作了压电振子,进行了固有频率试验。(4)动态载荷调整机构的调整机理分析。首先利用Ansys仿真软件对动态载荷调整机构进行模态分析,获得了其在不同频率下的振型及明确了配重质量块质量及弹性环刚度对其固有频率的影响规律;然后建立了动力学模型,通过求解得到系统在有阻尼及无阻尼时的动态响应,并对动力学方程中所含的阻尼参数进行实测,通过matlab程序求解及matlab/simulink仿真模型从理论上得到系统的固有频率与配重质量块、弹性环刚度的关系;最后搭建了测试系统,测试系统在配重质量块厚度a分别取0、10、20、30mm及弹性环柔性处厚度b分别取0.4、0.5、0.6、0.7mm时的固有频率及输出端在共振下的振幅。(5)疲劳试验机仿真及理论分析。首先,利用Ansys仿真软件对疲劳试验机进行模态分析,获得了其在不同频率下的振型及明确了配重质量块质量、弹性环刚度对系统固有频率的影响规律;然后建立了动力学模型,通过求解得到系统在有阻尼及无阻尼时的动态响应,并对动力学方程中所含的阻尼参数进行实测,通过matlab程序求解及matlab/simulink仿真模型从理论上得到系统的固有频率与配重质量块、弹性环刚度的关系;从理论上分析了传感器示值与试件真实受力的差异性及试件慢变参数对试件单个子系统、整机的动态响应的影响规律。(6)疲劳试验机试验分析。制作了疲劳试验机样机,搭建了测试系统,选定试件材料为Q235b,测试不同的试件刚度、不同的预置载荷、配重质量块厚度a分别取0、10、20、30mm、弹性环柔性处厚度b分别取0.4、0.5、0.6、0.7mm、不同的电压对系统固有频率及作用于试件上的应力幅的影响,最后得到了疲劳试验过程中的载荷变化规律。