基于自動閉環(huán)控制的聚氨酯泡沫動態(tài)疲勞測試方法研究

林飛振，彭睿

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州，501663）

0 引言

材料制件在加載情況下隨時間逐步破壞的現(xiàn)象稱為疲勞。動態(tài)疲勞指在周期變化的載荷作用下的疲勞[1]。加載的力越低，疲勞破壞所需的加載周數(shù)越大。當應力低到一定值時，試樣將永遠不會發(fā)生疲勞破壞，這一臨界應力值叫作疲勞極限。此外，加載的頻率和試驗溫度等都是影響動態(tài)疲勞行為的重要因素。動態(tài)疲勞也經常被簡稱作疲勞。

聚氨酯泡沫是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，通過專用設備混合，經高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡而成的高分子聚合物，具有優(yōu)良力學性能和較高的壓縮負荷比，故有顯著的坐感舒適性、優(yōu)良的抗疲勞性、類似乳膠的手感、良好的透氣性，而且其生產效率高、能耗低，目前廣泛應用于汽車座椅[2]。

汽車座椅作為司乘人員最直接接觸的部件，其合理的設計對乘坐舒適性和安全性都起到很重要的作用，聚氨酯泡沫作為座椅的主要部件，其力學性能是產品開發(fā)的關鍵之一，聚氨酯泡沫動的剛度，是其力學性能綜合體現(xiàn)的重要指標，能真實反映車輛行駛過程中，座椅對司乘人員支撐的狀態(tài)。

1 自動閉環(huán)控制疲勞測試原理

疲勞測試是用以測定材料或結構疲勞應力或應變循環(huán)數(shù)的過程。疲勞是循環(huán)加載條件下，發(fā)生在材料某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。經足夠的應力或應變循環(huán)后，損傷積累可使材料發(fā)生裂紋，或是裂紋進一步擴展至完全斷裂。出現(xiàn)可見裂紋或完全斷裂統(tǒng)稱疲勞破壞。

在疲勞實驗進行時，試樣受外部條件干擾的影響，其受力狀態(tài)與設定目標力值出現(xiàn)偏差時，自動閉環(huán)控制動態(tài)疲勞機將根據(jù)偏差發(fā)出新的指令，以變化設定力值來糾正偏差，抵消干擾的作用。在閉環(huán)控制中，由于自動閉環(huán)控制動態(tài)疲勞機能根據(jù)反饋信息發(fā)現(xiàn)和糾正試樣運行的偏差，所以有較強的抗干擾能力，能進行有效的控制，從而保證預定目標力值的實現(xiàn)。

2 測試方案

2.1 常規(guī)測試方案

常規(guī)測試方法的試驗設備主要由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、激振器、位移傳感器和力值傳感器組成，利用激振器對樣品產生激勵，進行設定頻率范圍的掃頻試驗，同時使用數(shù)據(jù)采集儀獲取位移傳感器和力傳感器的同步信號，優(yōu)點是試驗空間大，對樣品約束小，但是缺少控制一體化，在試驗開始后，無法控制系統(tǒng)各部分聯(lián)動，這種不可控，極大地影響了不同樣品數(shù)據(jù)之間的可比性[3]。

2.2 自動閉環(huán)控制測試方案

利用自動閉環(huán)控制的INSTRON疲勞試驗機進行的測試方案見圖1，設備結構與常規(guī)測試方法類似，力值傳感器與上橫梁集成一體，可通過手動控制橫梁上下移動為樣品提供合適空間，兩立柱之間的空間為560mm，上下液壓夾具之間的空間可達1000mm，激勵源為與下液壓夾具剛性連接的液壓作動器，利用試驗軟件WaveMatrix2可對測試方案進行可視化編程，并且可以設置高達5000Hz的數(shù)據(jù)采集頻率，測試控制方法為力和位移的聯(lián)動控制，得益于整機的集成控制，使得測試過程清晰可控，能夠實現(xiàn)更復雜的測試要求。

圖1 自動閉環(huán)控制測試方案圖

2.3 兩種測試方案結果對比

選取同一個樣品，采用位移控制方法（見圖2），實施200N預壓，掃頻范圍是1Hz～15Hz，間隔0.5Hz，在各個頻率點下對樣品做10個壓縮循環(huán)，兩種測試方案得出的力值數(shù)據(jù)見圖3，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)常規(guī)測試方案的初始力是200N，隨著掃頻測試的持續(xù)進行，力平均值逐漸偏離200N預壓值，使用INSTRON測試方案，可利用控制系統(tǒng)針對不同的樣品而設置剛度的功能，使作動缸能夠自動穩(wěn)定地預壓至200N隨后立即開始測試，并且在每個頻率點，都會對預壓力進行補償，整個測試過程清晰明了，結果數(shù)據(jù)中力平均值很好地保持在初始預壓力200N軸線上（圖3中綠色線）。

圖2 位移控制方法圖

圖3 兩種測試方案結果數(shù)據(jù)對比圖

3 測試實驗

選取一批聚氨酯泡沫試樣共7件，樣品規(guī)格為150mm×150mm×150mm，對樣品進行編號，分別為：a-M30 Y150、b-M45 Y150、c-M60 Y150、d-M75 Y150、e-M60 Y100、f-M60 Y120、g-M60 Y200，其中M表示材料密度，Y表示材料硬度，預壓力為500N，掃頻范圍是1Hz～15Hz，間隔0.5Hz，在各個頻率點下對樣品做10個壓縮循環(huán)。

根據(jù)測試結果計算得出動剛度曲線圖，見圖4。

圖4 聚氨酯泡沫動剛度曲線圖

根據(jù)圖4(1)，發(fā)現(xiàn)對比測試樣品硬度一定的時候，a、b、c、d樣品的密度逐漸增加，在頻率＜3Hz階段，隨著測試頻率的緩慢增加，剛度值變化明顯，頻率＞3Hz后，隨著測試頻率的增加，剛度值變化趨緩，增加樣品密度可以顯著提高其動剛度性能，當密度高于M60的時候，密度繼續(xù)增加對動剛度的影響減弱。

根據(jù)圖4(2)，可以發(fā)現(xiàn)測試樣品密度一定的時候，e、f、c、g樣品的硬度逐漸增加，硬度對初始動剛度的影響明顯，樣品的硬度越大，在掃頻過程中，動剛度變化越平緩，硬度對動剛度值的影響呈逐漸增大再減小的規(guī)律。

4 結論

本文對比了常規(guī)測試方案和INSTRON測試方案在聚氨酯泡沫動剛度測試中的數(shù)據(jù)，并選用INSTRON測試方案對一批聚氨酯泡沫試樣進行測試，主要結論如下：

(1）INSTRON疲勞試驗機，試驗寬度為560mm，試驗高度為1000mm，系統(tǒng)對位移、力值數(shù)據(jù)的采樣頻率高達5000Hz，其可視化編程控制軟件簡明易懂，編輯的測試方案清晰明了，通過位移和力的聯(lián)動控制，更適用于聚氨酯泡沫的動剛度測試。

(2）針對此批次聚氨酯泡沫試樣，適當增加密度即能顯著提高產品的動剛度，適當提高產品的硬度，能有效減小產品的動剛度，而且硬度越大，振動頻率對樣品動剛度的影響越遲緩。