振幅对金属橡胶耐久性的影响

摘要本文从试验的角度研究金属橡胶构件在交变载荷作用下振幅对金属橡胶耐久性的影响。分析金属橡胶在不同振动幅值下，其结构尺寸参数和力学性能参数（弹性模量、损耗因子）随循环次数的变化规律。结果表明：小振幅加载增强了金属橡胶的承载能力；振幅越大，对成型方向尺寸、弹性模量和损耗因子影响越明显；内部金属丝螺旋卷之间的接触状态转变是导致宏观结构尺寸和力学性能变化的根本原因。

关键词金属橡胶；交变载荷；耐久性；振幅影响

中图分类号： V250.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

金属橡胶是由金属丝经绕丝、拉伸、编织和模压成型等一些列工艺过程制作而成的多孔的功能性结构阻尼材料，主要依靠金属螺旋丝间相对滑移时的干摩擦耗散振动能量，达到阻尼减振效果[1]。目前国内对金属橡胶材料振动载荷作用下耐久性方面的理论和试验研究较少，且多集中在较大振幅作用下的疲劳特性[2][3]，本文在参考前人对金属橡胶耐久性和疲劳特性方面的研究，对不同振幅下的金属橡胶的耐久性进行了试验研究。

1金属橡胶试验件与测试方法

1.1金属橡胶试验件

本试验采用长方体金属橡胶构件进行试验。金属丝材料选用0Cr18Ni9不锈钢，金属丝直径0.10mm，螺旋卷直径1.11mm，金属橡胶相对密度0.20，结构尺寸为21-21-10mm，成型压缩比（毛坯高度与试件成型高度之比）为5。将金属橡胶与两片金属片用胶粘合，三者形成一个整体，试验件与夹具如图1所示。

1.2测试系统与方法

金属橡胶交变载荷作用下耐久性试验装置包括激振系统和测试系统。激振器输出信号通过顶杆传递到被测金属橡胶试验件上，试验件夹具的两个金属片分别通过螺栓与激振器和试验台上的支座相连。位移传感器用来监测试验过程中试验件的振动位移幅值，保证试验过程的幅值恒定不变。

试验采用位移控制、对称拉压的形式对金属橡胶成型方向进行激振。金属橡胶构件的初始预压缩量为0mm，激振频率为70Hz，总工作循环为107。为了研究振幅对金属橡胶耐久性的影响，设置了3组不同位移幅值的对比试验，位移幅值分别为1.0mm、1.3mm和1.6mm。

试验时，每激振一定循环次数后，测量金属橡胶构件在三个方向的尺寸及其准静态加载/卸载迟滞回线。准静态加载/卸载迟滞循环试验在电子万能试验机上进行，试验装置由力传感器（量程2.5KN）、电子千分表（量程25mm）等组成。

2试验数据处理与结果分析

2.1评估参数的选取

在交变载荷作用下，金属橡胶构件在宏观上主要表现为承载能力、阻尼性能和结构尺寸变化，因此选用其割线模量、损耗因子和结构尺寸作为评估参数来表征金属橡胶的耐久性。

准静态加载/卸载试验后得到试验力-变形迟滞回线，经数据处理得到应力-应变曲线，将应力-应变曲线上的任意一点与试验坐标原点连线，连线的斜率作为该点对应应变下的弹性模量，即为该应变下的割线弹性模量，简称割线模量，由公式（1）定义，反映了从初始零应变到加载至此应变下的整个过程的总体当量弹性模量值。

其中： 、 为某点处的应力、应变， 、 为原点处的应变，默认为0。

将应力-应变曲线上每一应变点的斜率，定义为该应变下的切线模量，由公式（2）定义，即采用变化的正切模量-应变曲线来描述金属橡胶材料弹性性能。

2.2试验结果与分析

建立不同振幅下结构尺寸、割线模量、损耗因子随循环次数的变化曲线，分别如图4、图5和图6所示。

成型方向尺寸即高度随着循环次数增加先增大，后减小，最终稳定。从0次循环至1.2x105次循环高度突增，说明交变载荷作用使高度增加。振幅越大，成型方向尺寸变化越大。两个非成型方向尺寸基本不随循环次数增加而变化，变化在2%以内。

割线模量随着循环次数增加先增大，后趋于稳定；振幅越大，割线模量趋于稳定的速度越快，即达到稳定所需的循环次数越少。

不同振幅激励下，损耗因子变化不同。1）10mm幅值时，随着循环次数增加，损耗因子逐渐增大，最终趋于稳定。2）13mm幅值时，随着循环次数增加，损耗因子变化不大。3）16mm幅值时，随着循环次数增加，损耗因子逐渐减小，最终趋于稳定。

对应力-应变曲线加载段进行六次多项式拟合，再对拟合曲线求导得到圆滑的切线模量-应变曲线，在其上选取七个点，绘制分段的切线模量-应变曲线，如图7所示。

小应变段，在相同应变下，随着循环次数增加，切线模量在小范围上下波动；大应变段，在相同应变下，从0次循环至2.52x105次循环，切线模量变化不稳定，在小范围上下波动；从2.52x105次循环至1.01x107次循环，随着循环次数增加，切线模量逐渐增大。应变越大，大应变段切线模量增大越快越明显。

2.3理论分析

2.3.1细观结构

对金属橡胶细观结构模型[4]的研究表明，金属橡胶的基本组成单元是螺旋卷，可简化为微元弹簧，该弹簧分为横向弹簧和纵向弹簧。两种弹簧在金属橡胶内组成三种接触状态，分别为未接触、滑移接触和挤压接触，如图8所示。金属橡胶刚度和阻尼非线性的根本原因是其内部螺旋卷之间接触状态的转变。

根据金属橡胶的细观结构模型[4]，各个接触状态下的弹性模量有如下关系：

（3）

其中： 为未接触状态加载弹性模量， 为滑移接触状态加载弹性模量， 为挤压接触状态加载弹性模量。

2.3.2理论分析

金属橡胶模压成型后，性能初步稳定（内部螺旋卷的三种接触状态分布比例一定）。耐久性试验中，长方体金属橡胶试件一端固定，一端受对称拉压激振力作用，此时的金属橡胶内部各处的细观结构变化不同，将金属橡胶简化为层状结构，假设金属橡胶构件是由沿模压成型方向的多个层面构成，每一层的变化相同。在对称拉压作用下，越靠近激振端，内部螺旋卷位移变化大，越容易变松散，将靠近激振端的部分称为松散区；越靠近固定端，内部螺旋卷位移变化小，越容易被压实，将靠近固定端的部分称为密实区，如图9所示。

图9金属橡胶结构示意图

循环初期，松散区中，挤压接触和滑移接触逐渐转变为未接触，导致加载方向即金属橡胶成型方向尺寸“膨胀”明显。密实区中，未接触逐渐转变为滑移接触和挤压接触，其中未接触向滑移接触转变占主要，导致此部分成型方向尺寸减小。此时，松散区成型方向尺寸“膨胀”起决定作用，导致金属橡胶成型方向尺寸随着循环次数增加而增加，而弹性模量和损耗因子变化不大。

经过一定的循环次数后，松散区中，三种接触状态基本动态平衡，成型方向尺寸稳定。密实区中，未接触逐渐转变为滑移接触和挤压接触，滑移接触向挤压接触转变占主要，导致大应变段切线模量增大。

振幅越大，松散区越大，密实区越小，并且螺旋卷接触状态之间的转变越快。16mm振幅激励作用下，松散区中，挤压接触和滑移接触转变为未接触的比例最大，从而成型方向尺寸变化最大；密实区中，未接触向滑移接触和挤压接触转变越快，从而大应变段切线模量最大，损耗因子下降明显。

3结论

1）金属橡胶在交变载荷作用下，随着循环次数增加，成型方向尺寸在循环初期不稳定增加，最终逐渐趋于稳定；割线模量逐渐增大，最终趋于稳定；大应变段的各个应变点处的切线模量逐渐增大。

2）振幅越大，金属橡胶成型方向尺寸变化越大，割线模量趋于稳定速度越快，大应变段切线模量最大；损耗因子受振幅影响较大，振幅大时，损耗因子趋于减小。

3）金属橡胶内部不同部位的金属丝螺旋卷之间的接触状态转变是导致其结构尺寸、弹性模量和损耗因子随循环次数增加而变化的根本原因。

参考文献

[1]契戈达耶夫. 金属橡胶构件的设计[M]. 李中郢， 译. 北京： 国防工业出版社，2000：2-12.

[2]曹凤利，白鸿柏，王尤颜，周景涛. 振幅对金属橡胶材料疲劳寿命的影响分析[J]. 中国机械工程，2013，05：671-675.

[3]王尤颜，白鸿柏，侯军芳. 金属橡胶材料疲劳损伤性能研究[J]. 机械工程学报，2011，02：65-71.

[4]朱彬，马艳红，张大义，洪杰.金属橡胶迟滞特性本构模型研究[J].物理学报，2012，07：474-481.

通讯地址：北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学北配楼408室

收件人姓名：乔恒稳

邮政编码：100091

联系电话：18811431261

邮箱：