彈性材料的動(dòng)態(tài)測(cè)試

    現(xiàn)代彈性體的動(dòng)態(tài)材料性能數(shù)據(jù)比以前任何時(shí)候更為重要。彈性組份在所有產(chǎn)品，從汽車、計(jì)算機(jī)到高爾夫球中都起著關(guān)鍵作用。預(yù)測(cè)產(chǎn)品有效期內(nèi)的防震性和負(fù)荷性能非常重要。為了保證獲得準(zhǔn)確的模型，必須收集各種工作條件下的動(dòng)態(tài)材料性能數(shù)據(jù)，包括動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件、溫度史和疲勞史，尤其在投資是采用非線性有限單元分析工具進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)更是這樣，因?yàn)椴牧闲再|(zhì)不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)。

液壓伺服測(cè)試系統(tǒng)一直被用于測(cè)試彈性組分，其高負(fù)載能力和較長(zhǎng)的行程非常適用于測(cè)量各組分的行為，但這種技術(shù)用于表征基礎(chǔ)材料時(shí)也有缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的DMA/DMTA測(cè)試系統(tǒng)是第二選擇，但它們?nèi)狈Ρ碚鞣蔷€性彈性體，如充氣輪胎用途和隔振設(shè)備所需的負(fù)荷和行程范圍。

一種新型電磁技術(shù)對(duì)于許多彈性材料的動(dòng)態(tài)表征看來(lái)都是完美的選擇，它使用一個(gè)活動(dòng)磁鐵而不是活動(dòng)線圈。不管需要完成的是動(dòng)態(tài)機(jī)械分析、應(yīng)力松馳、蠕變、超彈性、高周疲勞還是龜裂增長(zhǎng)試驗(yàn)，此新技術(shù)的性能范圍都可保證模型能預(yù)測(cè)真實(shí)世界的行為。

以往的觀點(diǎn)

正如上面提到的那樣，現(xiàn)有兩種技術(shù)用于彈性材料的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此有著各自適合的細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域。包括：

液壓技術(shù)，其高壓油（200-350bar）提供能量推動(dòng)活塞；
電磁技術(shù)，通常稱為語(yǔ)音線圈，它的固定磁鐵和活動(dòng)線圈（電磁）相互作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

液壓系統(tǒng)，類似MTS系統(tǒng)和Instron，可提供很寬的頻率范圍（靜態(tài)到1000赫茲）和較高的負(fù)荷（10000牛頓或更高）。這些能力結(jié)合在一起使得這項(xiàng)技術(shù)成為動(dòng)態(tài)測(cè)試的常規(guī)選擇。

不過(guò)，液壓系統(tǒng)非常昂貴，而且它有許多活動(dòng)部件和密封件，維護(hù)費(fèi)用高。另外，其能源成本也很高，因?yàn)楸帽仨氝B續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且油被看作有害廢料，一旦污染就必須更換。由于傳動(dòng)裝置和/或伺服閥的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且傳動(dòng)裝置的活動(dòng)質(zhì)量非常高。在多軸應(yīng)用時(shí)由于摩擦，傳動(dòng)裝置的側(cè)向負(fù)荷還會(huì)引起波形扭曲或密封件磨損。

與Rheometric Scientific、TA Instruments、ThermoHaake和Mettler Toledo公司電磁系統(tǒng)類似的系統(tǒng)可以創(chuàng)造從靜態(tài)到高頻（某些超過(guò)400赫茲）的高保真運(yùn)動(dòng)。它們已被廣泛用于各種測(cè)試條件下聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量、模擬固化過(guò)程和聚合物的動(dòng)態(tài)性能表征。

這些系統(tǒng)非常節(jié)能：不過(guò)大多使用空氣軸承，會(huì)需要一個(gè)氣壓源。負(fù)荷范圍寬（從毫微牛頓到幾百牛頓），但是大多數(shù)用于材料測(cè)試的系統(tǒng)都限制在40牛頓或更低的最大負(fù)荷。行程范圍通常也受到限制（6mm或更小）。雖然用于保持電磁系統(tǒng)校準(zhǔn)（機(jī)械、空氣軸承或隔膜）的系統(tǒng)通常需要維護(hù)，以保證最佳性能，但維護(hù)成本通常很低，這也使得活動(dòng)線圈具有有限的疲勞壽命。線圈組合件的活動(dòng)質(zhì)量相當(dāng)高，這限制了其動(dòng)態(tài)性能。

為什么要采用活動(dòng)電磁馬達(dá)

Bose公司在電磁、材料科學(xué)和運(yùn)動(dòng)控制方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它使用活動(dòng)線圈馬達(dá)設(shè)計(jì)（例如聲轉(zhuǎn)換器...）最終開(kāi)發(fā)出了高性能的線性傳動(dòng)裝置。最近，Bose公司又推出了一種完全不同類型的線性傳動(dòng)裝置，被稱為活動(dòng)電磁馬達(dá)，它在動(dòng)態(tài)材料性能測(cè)試時(shí)的能力要高得多，而且沒(méi)有了傳統(tǒng)材料測(cè)試技術(shù)的一些缺陷。

線性馬達(dá)設(shè)計(jì)有著以下材料測(cè)試優(yōu)勢(shì)：

負(fù)荷范圍（從毫微牛頓到最高可達(dá)6000牛頓）和行程范圍（毫微米到25毫米）覆蓋了材料測(cè)試需要的大部分區(qū)域；
很高的馬達(dá)輸出力，加上低磁鐵質(zhì)量，意味著加速度最高可達(dá)1500米/平方秒，頻率超過(guò)400赫茲，速度高于3米/秒；
優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，加上無(wú)摩擦阻力的撓性懸掛系統(tǒng)，提供優(yōu)異的保真度和準(zhǔn)確性；
線性馬達(dá)高度節(jié)能，因?yàn)殡娔苁桥c所需負(fù)荷成正比（無(wú)需氣壓源或油壓源，而且沒(méi)有機(jī)械摩擦損失）； 
沒(méi)有密封件或軸承的摩擦磨損，沒(méi)有活動(dòng)部件和浮動(dòng)磁頭，線性馬達(dá)已證實(shí)具有特別優(yōu)異的耐用性，運(yùn)轉(zhuǎn)150億周期以上未出現(xiàn)故障或進(jìn)行維修。無(wú)需維護(hù)、更換油或?yàn)V清器。

活動(dòng)電磁馬達(dá)是如何工作的？

圖1是活動(dòng)電磁馬達(dá)的一個(gè)簡(jiǎn)單圖示?；顒?dòng)電磁馬達(dá)的磁性部分由三個(gè)基本元素組成：磁鐵、線圈和磁心。磁鐵左右移動(dòng)，而線圈和磁心保持靜止。

為了滿足測(cè)試市場(chǎng)的需要，Bose公司在活動(dòng)磁鐵馬達(dá)上使用了最新技術(shù)的含釹鐵硼（NdFeB）磁鐵。描述此功能的一個(gè)簡(jiǎn)單方法就是把磁心和線圈組合看作一個(gè)隨電流產(chǎn)生北極和南極的電磁。施加電流時(shí)，磁鐵的適當(dāng)極相互吸引或排斥，產(chǎn)生力。電流越強(qiáng)，產(chǎn)生的力就越大。

磁鐵是如何懸掛在間隙中？

為了使馬達(dá)性能保持最佳，磁鐵和磁心之間的間隙和磁鐵厚度比必須非常小。機(jī)械懸掛可實(shí)現(xiàn)許多重要功能。首先，懸掛允許磁鐵沿著所需的軸向路徑移動(dòng)，且阻力最小。第二，懸掛使得磁鐵不會(huì)與磁心表面發(fā)生碰撞。和磁心接觸會(huì)產(chǎn)生不希望有的摩擦和馬達(dá)的非線性行為。

為了滿足這些要求，Bose公司創(chuàng)造了低質(zhì)量的撓性懸掛系統(tǒng)，無(wú)摩擦、無(wú)限壽命，橫向剛性高、而軸向剛性低。懸掛采用特殊的不銹鋼合金制成，具有優(yōu)異的疲勞性能，已證實(shí)在超過(guò)150億周期時(shí)仍然有效。

撓性設(shè)計(jì)帶來(lái)的一個(gè)額外好處是撓曲在主軸的橫向和扭矩方向可抵抗負(fù)荷，從而可以經(jīng)濟(jì)地完成樣品的多軸測(cè)試，不會(huì)損害線性馬達(dá)、密封件和軸承的摩擦效果。

把線性馬達(dá)并入測(cè)試儀器

EnduraTEC Systems公司和Bose公司組成了技術(shù)聯(lián)盟，將Bose公司的活動(dòng)電磁線性馬達(dá)技術(shù)與EnduraTEC的材料測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合，以充分利用線性馬達(dá)優(yōu)異的性能范圍。聯(lián)合的結(jié)果是ElectroForce（ELF）系列測(cè)試儀。測(cè)試儀包括臺(tái)式，負(fù)載能力最高可達(dá)4500牛頓（試驗(yàn)臺(tái)，ELF3200和3300）和立式，（ELF3400）負(fù)載能力最高可達(dá)6000牛頓。他們?nèi)坑蓸?biāo)準(zhǔn)電源插座提供動(dòng)力，不需要其他額外的基礎(chǔ)設(shè)施。其結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間，空氣冷卻，符合無(wú)塵室的要求，運(yùn)行時(shí)噪音低，多種線性和扭矩馬達(dá)可同時(shí)安裝在同一臺(tái)儀器上，用于多軸應(yīng)用程序。

利用傳統(tǒng)的電磁技術(shù)，負(fù)荷和行程范圍作為頻率的函數(shù)也會(huì)受到限制。伺服液壓系統(tǒng)允許較高的負(fù)荷和行程，但運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)成本高，而且密封件摩擦和活動(dòng)質(zhì)量還會(huì)限制了其較小的振幅激勵(lì)。而由活動(dòng)電磁線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)提供了開(kāi)發(fā)者比其他測(cè)試系統(tǒng)更寬的正弦激勵(lì)，且范圍正好疊加了彈性材料動(dòng)態(tài)測(cè)試的需要。

ELF3230的正弦性能是行程和頻率的函數(shù)，這表明在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)50赫茲時(shí)，即使顯著施加負(fù)載，仍可達(dá)到12.5毫米的全動(dòng)態(tài)行程。線性馬達(dá)的精確性允許測(cè)試在低至0.00001赫茲（約為一天一轉(zhuǎn)）的頻率下進(jìn)行。Bose線性馬達(dá)的性能已在實(shí)際情況下通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得證實(shí)，包括夾具質(zhì)量和樣品剛性。

動(dòng)態(tài)機(jī)械分析

動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA），有時(shí)也被稱作動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析（DMTA），是用于分析和表征材料通常是聚合物性能的技術(shù)。將一個(gè)正弦激勵(lì)應(yīng)用于材料樣品，可測(cè)量負(fù)荷的動(dòng)態(tài)振幅、相位和行程，然后將材料的動(dòng)態(tài)性能表示為頻率、溫度、應(yīng)變振幅、平均含量和預(yù)處理的函數(shù)。

ELF測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)量動(dòng)態(tài)性能，如一種情況下以頻率對(duì)加速參數(shù)作圖。這個(gè)測(cè)試設(shè)計(jì)用于再造扭矩DMA系統(tǒng)的常規(guī)能力，一個(gè)例子就是在線性剪切、5%動(dòng)態(tài)應(yīng)變下測(cè)試四種不同分支程度的未固化橡膠化合物，溫度控制在120℃。

非線性材料模擬數(shù)據(jù)

大多數(shù)有限元素材料模型要求在不同情況下測(cè)量材料的負(fù)荷和偏轉(zhuǎn)行為。傳統(tǒng)技術(shù)集中于線性（小應(yīng)變）范圍的粘彈性測(cè)量，而新型馬達(dá)設(shè)計(jì)用于測(cè)量更真實(shí)（大應(yīng)變）情況下彈性材料的周期和時(shí)間依賴性能。馬達(dá)可以測(cè)試的應(yīng)變水平超過(guò)100%，頻率從每天一轉(zhuǎn)到每秒400轉(zhuǎn)，以模擬模型化特定組份的關(guān)鍵情況。其大范圍的動(dòng)態(tài)性能允許所有的所需測(cè)試可在同一系統(tǒng)中完成。

一個(gè)常規(guī)的拉伸夾具構(gòu)造可以最佳化來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。樣品可以測(cè)試簡(jiǎn)單的拉力、壓力、剪切力和純剪切（平面拉力），單軸或多軸負(fù)荷結(jié)構(gòu)中三或四點(diǎn)彎曲構(gòu)造，以測(cè)量彈性材料的所有關(guān)鍵反應(yīng)。

應(yīng)力松馳/蠕變

線性馬達(dá)測(cè)試技術(shù)的低活動(dòng)質(zhì)量和高加速能力提供了最好的條件去測(cè)量材料的蠕變和應(yīng)力松馳性能。測(cè)試可以以毫秒計(jì)，并非常準(zhǔn)確。例如，10微秒內(nèi)樣品行程15毫米。相比而言，以前使用的伺服液壓系統(tǒng)獲得的最快時(shí)間是35微秒。

疲勞和斷裂力學(xué)分析

線性馬達(dá)提供了很寬的動(dòng)態(tài)性能范圍和耐用性，使其非常適合研究材料的疲勞和斷裂性能。Bose線性馬達(dá)較高的頻率使材料迅速龜裂增長(zhǎng)，或在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行幾百萬(wàn)周期有疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)。線性馬達(dá)先進(jìn)的撓性設(shè)計(jì)意味著損害是施加于樣品，而不是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的密封件或軸承，降低了維護(hù)成本，提高了每個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)品測(cè)試時(shí)間。

高保真度保證測(cè)試條件是準(zhǔn)確而且可重復(fù)的，因此使測(cè)試中數(shù)據(jù)的散射最小化。測(cè)試可以覆蓋決定材料疲勞限制或斷裂韌性所需的所有情況。

盡管表征彈性體動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試可以結(jié)合傳統(tǒng)的伺服液壓系統(tǒng)和電磁技術(shù)完成，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)情況推動(dòng)各公司去找到新的方法以降低成本 — 包括操作成本和資金成本。由于活動(dòng)電磁線性馬達(dá)優(yōu)異的性能，研究者可以用一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)完成所有的測(cè)試需要。建立一個(gè)新實(shí)驗(yàn)室所需的資金也降低到一半或三分之一。如果再考慮到操作上的優(yōu)勢(shì)，如減少維護(hù)和能量成本，降低實(shí)驗(yàn)室噪音，降低由于油和冷卻水處理帶來(lái)的環(huán)保費(fèi)用，是非常值得以這種新型線性馬達(dá)技術(shù)來(lái)取代現(xiàn)有設(shè)備。

現(xiàn)在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)就可以提供所有的所需材料性能，增加了先進(jìn)非線性有限元素分析的材料模型。系統(tǒng)特別適用于完成動(dòng)態(tài)機(jī)械分析、應(yīng)力松馳、蠕變、超彈性測(cè)試、高周疲勞和龜裂增長(zhǎng)測(cè)試。同樣的系統(tǒng)還能用于測(cè)量輪胎簾布、尼龍纖維、固化/未固化橡膠化合物的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。靜止線圈和活動(dòng)磁鐵的專利優(yōu)勢(shì)，加上無(wú)摩擦阻力撓性懸掛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音線圈和液壓測(cè)試系統(tǒng)所無(wú)可比擬的性能。