基于自动闭环控制的聚氨酯泡沫动态疲劳测试方法研究

林飞振，彭睿

（广州计量检测技术研究院，广东广州，501663）

0 引言

材料制件在加载情况下随时间逐步破坏的现象称为疲劳。动态疲劳指在周期变化的载荷作用下的疲劳[1]。加载的力越低，疲劳破坏所需的加载周数越大。当应力低到一定值时，试样将永远不会发生疲劳破坏，这一临界应力值叫作疲劳极限。此外，加载的频率和试验温度等都是影响动态疲劳行为的重要因素。动态疲劳也经常被简称作疲劳。

聚氨酯泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物，具有优良力学性能和较高的压缩负荷比，故有显著的坐感舒适性、优良的抗疲劳性、类似乳胶的手感、良好的透气性，而且其生产效率高、能耗低，目前广泛应用于汽车座椅[2]。

汽车座椅作为司乘人员最直接接触的部件，其合理的设计对乘坐舒适性和安全性都起到很重要的作用，聚氨酯泡沫作为座椅的主要部件，其力学性能是产品开发的关键之一，聚氨酯泡沫动的刚度，是其力学性能综合体现的重要指标，能真实反映车辆行驶过程中，座椅对司乘人员支撑的状态。

1 自动闭环控制疲劳测试原理

疲劳测试是用以测定材料或结构疲劳应力或应变循环数的过程。疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后，损伤积累可使材料发生裂纹，或是裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或完全断裂统称疲劳破坏。

在疲劳实验进行时，试样受外部条件干扰的影响，其受力状态与设定目标力值出现偏差时，自动闭环控制动态疲劳机将根据偏差发出新的指令，以变化设定力值来纠正偏差，抵消干扰的作用。在闭环控制中，由于自动闭环控制动态疲劳机能根据反馈信息发现和纠正试样运行的偏差，所以有较强的抗干扰能力，能进行有效的控制，从而保证预定目标力值的实现。

2 测试方案

2.1 常规测试方案

常规测试方法的试验设备主要由数据采集分析系统、激振器、位移传感器和力值传感器组成，利用激振器对样品产生激励，进行设定频率范围的扫频试验，同时使用数据采集仪获取位移传感器和力传感器的同步信号，优点是试验空间大，对样品约束小，但是缺少控制一体化，在试验开始后，无法控制系统各部分联动，这种不可控，极大地影响了不同样品数据之间的可比性[3]。

2.2 自动闭环控制测试方案

利用自动闭环控制的INSTRON疲劳试验机进行的测试方案见图1，设备结构与常规测试方法类似，力值传感器与上横梁集成一体，可通过手动控制横梁上下移动为样品提供合适空间，两立柱之间的空间为560mm，上下液压夹具之间的空间可达1000mm，激励源为与下液压夹具刚性连接的液压作动器，利用试验软件WaveMatrix2可对测试方案进行可视化编程，并且可以设置高达5000Hz的数据采集频率，测试控制方法为力和位移的联动控制，得益于整机的集成控制，使得测试过程清晰可控，能够实现更复杂的测试要求。

图1 自动闭环控制测试方案图

2.3 两种测试方案结果对比

选取同一个样品，采用位移控制方法（见图2），实施200N预压，扫频范围是1Hz～15Hz，间隔0.5Hz，在各个频率点下对样品做10个压缩循环，两种测试方案得出的力值数据见图3，分析数据发现常规测试方案的初始力是200N，随着扫频测试的持续进行，力平均值逐渐偏离200N预压值，使用INSTRON测试方案，可利用控制系统针对不同的样品而设置刚度的功能，使作动缸能够自动稳定地预压至200N随后立即开始测试，并且在每个频率点，都会对预压力进行补偿，整个测试过程清晰明了，结果数据中力平均值很好地保持在初始预压力200N轴线上（图3中绿色线）。

图2 位移控制方法图

图3 两种测试方案结果数据对比图

3 测试实验

选取一批聚氨酯泡沫试样共7件，样品规格为150mm×150mm×150mm，对样品进行编号，分别为：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，预压力为500N，扫频范围是1Hz～15Hz，间隔0.5Hz，在各个频率点下对样品做10个压缩循环。

根据测试结果计算得出动刚度曲线图，见图4。

图4 聚氨酯泡沫动刚度曲线图

根据图4(1)，发现对比测试样品硬度一定的时候，a、b、c、d样品的密度逐渐增加，在频率＜3Hz阶段，随着测试频率的缓慢增加，刚度值变化明显，频率＞3Hz后，随着测试频率的增加，刚度值变化趋缓，增加样品密度可以显著提高其动刚度性能，当密度高于M60的时候，密度继续增加对动刚度的影响减弱。

根据图4(2)，可以发现测试样品密度一定的时候，e、f、c、g样品的硬度逐渐增加，硬度对初始动刚度的影响明显，样品的硬度越大，在扫频过程中，动刚度变化越平缓，硬度对动刚度值的影响呈逐渐增大再减小的规律。

4 结论

本文对比了常规测试方案和INSTRON测试方案在聚氨酯泡沫动刚度测试中的数据，并选用INSTRON测试方案对一批聚氨酯泡沫试样进行测试，主要结论如下：

(1）INSTRON疲劳试验机，试验宽度为560mm，试验高度为1000mm，系统对位移、力值数据的采样频率高达5000Hz，其可视化编程控制软件简明易懂，编辑的测试方案清晰明了，通过位移和力的联动控制，更适用于聚氨酯泡沫的动刚度测试。

(2）针对此批次聚氨酯泡沫试样，适当增加密度即能显著提高产品的动刚度，适当提高产品的硬度，能有效减小产品的动刚度，而且硬度越大，振动频率对样品动刚度的影响越迟缓。