聚氨酯泡沫塑料的疲劳性能研究

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第26卷增刊 2004年10月
北 京科 技大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing
V01.26 Suppl. Oct.2004
聚氨酯泡沫塑料的疲 劳性能研究
汪 勇 郭树祥 汤剑飞
南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016
I试验装置、试验夹具及试验件
试验在MTS810.13液压伺服万能材料试验 系统上进行的.夹具的具体情况见图I.试验件 的尺寸为50 mmx50 mmx25 mill.

图1试验夹具示意图
所用聚氨酯泡沫塑料的平均密度为150 kg/m3,试件均应无表皮,且在加工过程中不应改 变材料结构,试件表面应平整,无裂纹、无明显
4 ASTM D l 62 1.94 Standard Test Method for Corn. pressive Properties of Rigid Cellular Plastics【S】
5 GB/T 9641—88硬质泡沫塑料拉伸性能试验方法【S】 6 GB/T 8813-88硬质泡沫塑料压缩试验方法[S】 7卢子兴,田常津,谢若泽.硬质聚氨酯泡沫塑料压
2试验
如何确定疲劳试验的应力水平是缩短试验 周期和节约经费开支的关键.具体做法是试验前 对聚氨酯泡沫塑料的力学性能进行测试【3巧】,根 据所测的应力一应变曲线来确定疲劳试验的应 力水平并采用降载法由高应力水平到底应力水 平进行试验.试验条件为:R=0.1,以106作为疲 劳极限,每组试验件为5件,并对试件的几何尺 寸进行精确测量;疲劳载荷为等幅、压一压载荷; 疲劳破坏的判据是以材料的刚度降来判定的.试 验夹具及试验方法根据GB/T 8813.88硬质泡沫 塑料压缩试验方法和美国ASTM标准执行. 2.1压缩性能试验
摘要对聚氨酯泡沫塑料的疲劳性能进行了研究,通过对该材料的力学性能测试和不同应 力水平下的疲劳试验的基础上对试验结果进行分析,得出了一些对实际工程很有参考价值的 结论和看法.同时还就聚氨酯泡沫塑料的疲劳试验中的一些试验方法、试验夹具和试验件的 胶接方法进行了探讨. 关键词 聚氨酯泡沫塑料;疲劳试验;疲劳性能;塑性变形 分类号TB 331
聚氨酯泡沫塑料【1’2】在人们日常生活中已得 到广泛的应用.由于聚氨酯泡沫塑料材料的一些 特殊力学性能,它作为一种新型的结构材料在航 空和航天等领域中得到越来越多的应用.当这类 多孔质轻的材料在一些重要结构中用于承载和 减振时,它的力学性能和疲劳性能对结构的可靠 性、安全性有着至关重要的意义,因此对它的疲 劳性能进行研究是十分必要的.
收稿日期2004.o卜18
汪勇52岁,高级工程师
杂质和加工损伤等缺陷.试验夹具由上下压板、 上下盖板、夹持杆、钢珠组成.上下盖板是用于 试验件的胶接和上下压板连接,采用胶接试件的 方法是为了保证疲劳试验中试验件的位置不变, 胶接好的试验件用螺栓与压板连接,试验时安装 上夹持杆以供液压夹头夹持之用;钢珠置于上压 板上.
荷不变的条件下塑性变形达到10%作为试验件的 疲劳破坏判据.试验环境条件为室内常温.等幅 载荷,尺=0.1,应力水平见表2.先进行第1组试 验件的试验,根据试验结果确定其他4组试验的 应力水平.第l组5件试件均加载100万次卸载 后没有明显的塑性变形,因此将第2组试验的应 力水平增大,由表2的数据可见5件试件均加载 100万次卸载后仍然没有明显的塑性变形,因此 为了缩短试验周期和节约经费开支,先进行了第 5组试验,在此应力水平下试验件疲劳寿命只有 数千次,下降的很快.为考查其原因,将应力水 平调整为第4组、第3组依次进行试验,疲劳寿 命提高仍不明显.经初步分析认为该材料在一定 的应力水平范围内其疲劳寿命是大于100万次 的,而当应力水平一旦高于某一应力时,其疲劳 寿命将非常迅速的降低. 2.3试验结果与分析
中,提高材料表观密度,从而提高材料的强度, 影响试验结果的准确性.
(3)从表2中可以看出,该聚氨脂泡沫塑料 的疲劳极限很高,由材料的压缩曲线可知,应力 水平达到80%0b时已接近材料的名义屈服极限 嘞.2,可见,该材料在线弹性范围内的疲劳寿命均 超过106次:应力水平在70%%和80%ob时,循 环载荷作用106次后,测得材料的刚度(压缩模 量)并无明显变化;当应力水平超过80%ob时, 材料进入弹塑性变形阶段,由于材料的屈服,压 缩变形量很快达到10%,因此其疲劳寿命只有几 千次,测得的试验点过于密集.从表中还可以看 出,当应力水平超过材料的名义屈服极限时,测 量的疲劳寿命有一定的分散性,这主要是由于聚 氨脂泡沫材料的强度受密度影响很大,不同试件 的材料密度很难保持一致,因此各试件的实际屈 服极限和压缩强度具有一定的分散性,这种分散 性有望通过增加每个应力水平下的试验试件个 数来消除.
lyzing the test results.Some problems about the test method and bonded jointing between the clamps and
the samples were also discussed.
KEY WoRDS polyurethane foam plastic;fatigue test;fatigue performance;plastic deformation
ABSTRACT功e fatigue capability of the polyurethane foam plastic has been studied through the
compressive tests and fatigue tests.Several conditions that valuable to practices have been drawn by ana—
参考文献
1龚云表,石安富.合成树脂与塑料手册【M】.上海 科学技术出版社,1993
2方禹声,朱吕民.聚氨酯泡沫塑料.化学工业出版 社,1996年6月
3 ASTM D1623.78 Standard Test Method for Tensile and Tensile Adhesion Properties of Rigid Cellular Plastics【S】
缩力学性能.材料研究学报,1998,8(5):452
Fatigue Properties of the Polyurethane Foam Plastic
WANG Yong,GUO Shuxiang,TANG Jianfei
College of Aerospace Engineering,NUAA Nanjian-Nanjian 210016,China
水平达到某个点时,其疲劳寿命就会急剧降低, 分析后认为,在此应力水平下的加载次数之所以 急剧降低,是因为材料内部有部分泡沫塑料的胞 体‘71,而这些胞体的几何空间受压减小而引起材 料的塑性变形,同时几何尺寸减小引起了聚氨脂
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汪勇等:聚氨酯泡沫塑料的疲劳性能研究
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泡沫塑料材料的表观密度的增加,导致强度的提 高.因此在交变载荷的作用下材料在承受数百次 的交变载荷后又产生新的刚度降,此时在聚氨脂 泡沫塑料的内部又有部分泡沫产生新的塑性变 形,重复上述过程,直到材料的塑性变形达到规 定的值,即材料疲劳破坏为止.
取5件试验件进行压缩试验,根据GB/T 8813—88和ASTM标准的要求加载并记录下载荷 一位移曲线.从表I的试验结果可见试验数据分 散性很小,压缩强度的标准偏差S=0.1892 MPa, 压缩模量的标准偏差&=2.6674 MPa,因此认为 试验数据可满足试验标准要求的,完全可以依此
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Байду номын сангаас
北 京 科技 大 学 学 报
图3¥--·1曲线
3结果与讨论
聚氨脂泡沫塑料材料在压一压交变载荷作 用下,疲劳应力水平在≤0.80Db时疲劳寿命大于 106.同时,在绝大部分工程应用中,材料的实际 应用的应力水平不会大于此值,因此聚氨脂泡沫 塑料在应力水平≤0.80瓯时无需考虑疲劳问题.
试验数据与试验结果表明: (1)本次实验只进行了试验件的几何尺寸的 测量,而未进行表观密度的测量,由于聚氨脂泡 沫塑料材料的表观密度具有一定的分散性,因而 由表观密度的误差能引起实验结果的误差.因 此,建议在实验中,不仅要测量试件的几何尺寸, 还需测量其表观密度. (2)在试验件的胶接过程中,应很好地控制 胶层的厚度及胶用量.当胶层厚且胶用量多时, 试验件的表观密度会引起变化,这是因为聚氨脂 泡沫塑料材料是一种多孔材料,胶液会浸润其
通过上述试验得到5组疲劳试验的数据,经 整理、计算,其试验结果如表2和图3的J一万曲 线所示.
表2疲劳试验数据
由表2中的试验数据和图3的j川曲线可见, 聚氨脂泡沫塑料材料的疲劳应力水平在≤0.80瓯 时,疲劳寿命均大于100万次,而在疲劳应力水 平>0.800b时,聚氨脂泡沫塑料材料的疲劳寿命急 剧降低到只有数千次.由此可见,该材料在应力
数据作为疲劳试验选取应力水平的依据.
表1压缩试验数据
2004年增刊
经曲线拟合整理后得到如图2的a--e曲线, 由此曲线确定疲劳试验的应力水平.
图2应力一应变曲线 2.2疲劳试验
共进行5组试验件的(每组5件)疲劳试 验.首先取5件试验件,根据上述测定的应力一 应变曲线确定疲劳试验的应力水平.因为是压一 压疲劳试验,根据具体结构的要求确定把疲劳载
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