基于摆锤回弹法的先进仪器化测量技术拓展弹性体冲击动力学表征范围

本研究针对传统摆锤回弹法在弹性体硬度范围（Shore A30-A85）和测试指标单一性（仅回弹率R）的局限性，开发了集成压电力传感器、角度传感器和高速摄像的仪器化系统，实现了Shore 00-30至D50硬度范围的弹性体冲击动力学多参数分析（冲击力F、接触时间、试样压缩量），并通过解析模型计算弹性/耗散能量分布，为材料能量吸收机制研究提供了新方法。

　　

弹性体材料在汽车减震、运动防护等领域的能量吸收性能至关重要，但传统摆锤回弹测试存在两大瓶颈：一是仅适用于Shore A30-A85的中等硬度材料，二是仅输出回弹率单一参数，无法解析冲击过程中的能量转换机制。针对这些问题，奥地利约翰开普勒林茨大学的研究团队在《Polymer Testing》发表研究，通过仪器化改造将测试范围拓展至超软（Shore 00-30）到超硬（D50）弹性体，并首次实现冲击力、变形量等多参数同步采集。

研究采用0.5J摆锤冲击测试系统，集成压电力传感器（KISTLER 9041A）测量冲击力，角度传感器记录摆锤运动轨迹，高速摄像机（Phantom V711，17,000fps）捕捉试样变形。通过定制夹具固定直径35mm的圆柱形试样（Ecoflex 00-30、Sylgard 184、TPU D50），结合Savitzky-Golay滤波和Levenberg-Marquardt算法建立两种解析模型（线性/二次正弦函数），计算角加速度α¨(t)和冲击力F_C
。

在"高速测量结果"部分，研究发现材料硬度与冲击时间呈负相关：最软的Ecoflex接触时间达12.82ms（变形8.21mm），而最硬的TPU仅0.88ms（变形0.62mm）。但反常的是，Ecoflex展现出最高回弹率R=0.53，说明长接触时间未必对应高能量吸收。通过高速影像能量分析揭示，Ecoflex能恢复58%的弹性能量（W_R
），显著高于TPU的35%。

"解析模型结果"显示，二次正弦模型（方程2）对软质材料（Ecoflex/Sylgard）的前两次冲击力预测误差<5%，而线性模型（方程1）更适配硬质TPU。动态弹簧率K_Dyn
的对数分析表明，TPU的刚度比Ecoflex高三个数量级，印证了硬度对冲击响应的决定性影响。

该研究突破性地将摆锤测试的应用边界扩展至全硬度谱弹性体，提出的多参数关联分析方法为材料能量耗散机制研究建立了新范式。特别值得注意的是，研究发现回弹率R与动态弹簧率K_Dyn
的协同分析能更准确预测材料防护性能，这对防撞材料的设计具有重要指导价值。仪器化方案中角度传感器与解析模型的组合，为无负载传感器的低成本测试系统开发提供了技术路线，具有显著的工程应用潜力。