絲網(wǎng)編織金屬橡膠的靜態(tài)力學(xué)性能研究

鄒廣平，程賀章，唱忠良，王鵬，王瑞瑞

（1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

絲網(wǎng)編織金屬橡膠的靜態(tài)力學(xué)性能研究

鄒廣平1，程賀章1，唱忠良1，王鵬1，王瑞瑞2

（1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

針對沉孔型金屬橡膠制品展開研究，采取了控制變量和對比分析的2種研究方法，對金屬橡膠制品的靜態(tài)壓縮和剪切性能進行了系統(tǒng)全面的實驗研究。通過實驗結(jié)果給出了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下金屬橡膠制品靜態(tài)性能的變化關(guān)系，同時得到了金屬橡膠制品在壓縮過程中的線性-軟特性-硬特性的變化過程。針對不同狀態(tài)下的減振耗能情況對金屬橡膠減振的機理進行深入的剖析，進而得知相對密度與變形幅值是影響金屬橡膠減振器減振能力的2個重要參數(shù)。

金屬橡膠；阻尼材料；力學(xué)特性；遲滯回線；壓縮性能；剛度

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，振動對航空航天、艦船等高端技術(shù)的影響尤為突出［1］。艦船領(lǐng)域中使用性能優(yōu)越的隔振材料不僅能起到減振的作用，還能減少噪音達到隱身的效果。傳統(tǒng)振動的橡膠阻尼材料只能適用于較窄的溫度范圍，并且抗腐蝕能力差，易耗損［2］?，F(xiàn)階段急需發(fā)展一種能長期適應(yīng)于較差環(huán)境下的隔振材料。金屬橡膠阻尼材料作為一種金屬制品且具有橡膠特性的阻尼材料，在現(xiàn)代隔振器中成為普通橡膠阻尼材料的最佳替代品，特別是應(yīng)用到艦船領(lǐng)域中可以起到很好的耐腐蝕、降噪的作用［3］。目前，國內(nèi)對金屬橡膠的研究主要集中在基礎(chǔ)理論的探討、成型工藝的研究以及滿足特殊要求而進行的專項攻關(guān)［4?7］。本文針對金屬橡膠的靜態(tài)性能進行了深入研究?，F(xiàn)有的金屬橡膠領(lǐng)域中，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為了使本文研制的材料盡早應(yīng)用于實際工況中，在具體試驗過程中與已應(yīng)用于實際工況下的國外某型號金屬橡膠進行靜態(tài)試驗對比，從而分析金屬橡膠的靜態(tài)性能。同時發(fā)現(xiàn)金屬橡膠在受到靜態(tài)作用力時產(chǎn)生了非線性特性，這對其應(yīng)用產(chǎn)生很大的影響。因此，對絲網(wǎng)編織金屬橡膠的不同因素以及不同幅值的靜態(tài)試驗對比，有助于其更好地應(yīng)用到實際工況中。

1 試驗材料及試驗儀器

1.1 試驗材料

本試驗方案中采用的材料為相對密度為0.2，絲徑為0.2 mm的金屬絲材，制作形狀采用統(tǒng)一規(guī)格的長方體外形。試件的具體形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 試件幾何外形Fig.1 Geometrical shape of the specimen

試驗所用的金屬橡膠試件都是依據(jù)絲網(wǎng)編織工藝自發(fā)研制的。材料實物和紋路如圖2、3所示。圖2為試驗用金屬橡膠材料實物圖，其中（a）、（b）為紋路為15°的試件。D?F1代表某進口方形試件；FD?F1為自發(fā)研制的方形金屬橡膠試件；FD?F0為紋路為0的試件。紋路如圖3所示。

圖2 金屬橡膠試件Fig.2 The specimen of the metal rubber

圖3 金屬橡膠紋路示意圖Fig.3 Lines grain maps of the metal rubber

1.2 試驗儀器金屬橡膠材料的靜態(tài)壓縮和剪切試驗是在IN?STRON4505電子式萬能試驗機上進行的，試驗機對金屬絲網(wǎng)橡膠阻尼材料進行壓縮和剪切試驗，由于試驗機沒有合適的夾頭，所以對試驗所用夾頭進行了專門的設(shè)計并順利安裝，圖4為壓縮和剪切試驗夾頭安裝的試驗局部圖。

圖4 試件靜態(tài)試驗Fig.4 Static test of the specimen

2 靜態(tài)試驗過程及結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)壓縮試驗

本試驗對設(shè)計的絲網(wǎng)編織沉孔型金屬橡膠制品FD?F0、FD?F1型號與進口的D?F1型號進行不同變形幅值下的壓縮實驗，3種型號的金屬橡膠制品的相對密度為0.2，絲經(jīng)為2 mm，具體結(jié)構(gòu)尺寸大小為29.2× 29.2×19 mm，其中D?F1與FD?F1的紋路角度是15°，而FD?F0的紋路角度是0。

對以上介紹的不同的材料分別沿成型方向進行變形幅值為5%、10%、15%、20%的壓縮試驗，其中相對密度值為金屬橡膠材料的成型密度與金屬絲材料密度的相對比值。得到的試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同工藝元件的靜態(tài)壓縮試驗Fig.5 Static compression of different crafts specimens

圖5 中（a）、（b）、（c）分別代表進口材料、無紋、15°斜紋材料，這3種材料受到沿成型方向變形幅值為5%、10%、15%、20%壓力時的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線。在幅值較小的回線中（5%變形幅值）試件僅表現(xiàn)出了線性特點，在幅值較大的滯回曲線中體現(xiàn)出了硬特性特點?？梢钥闯霾煌嚰诓煌饧虞d荷作用下，金屬橡膠材料均有一定的滯變耗能現(xiàn)象。體現(xiàn)了試件的阻尼特性。材料的阻尼特性是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彈簧卷之間的擠壓和摩擦所產(chǎn)生的。

圖5（d）表示的是變形幅值為15%時，通過對3種試件的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線的比較。可以看出無紋工藝金屬橡膠材料的剛度最小，線性明顯。在相對密度、相同體積的情況下，本文所研制的斜紋工藝金屬橡膠材料與進口試件相比，總體相差不大，但在變形超過10%情況下剛度明顯變大，硬特性特征表現(xiàn)明顯。

本文在研究絲網(wǎng)編織金屬橡膠材料過程中，還分別設(shè)計了相對密度為FD?FX0＝0.18、FD?F1＝0.2、FD?F1X1＝0.25，F(xiàn)D?F1X2＝0.3，絲徑為0.2 mm的金屬橡膠樣品試件，具體結(jié)構(gòu)尺寸大小均為29.2×29.2×19 mm，用來研究不同相對密度對其壓縮特性的影響。

同時設(shè)計了絲徑分別為FD?F1D1＝0.1 mm、FD?F1D2＝0.15 mm、FD?F1＝0.2 mm，相對密度均為0.2大小的試件，而試件的具體結(jié)構(gòu)尺寸大小同樣均為29.2× 29.2×19 mm，用來研究不同絲徑對其壓縮特性的影響。

通過壓縮各個試件在變形為5%、10%、15%、20%的載荷下的圖可以看出趨勢基本相同，在此不再一一列舉，圖6（a）、（b）表示的是幅值在15%變形下，不同相對密度，不同絲徑的金屬絲網(wǎng)橡膠阻尼材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變圖。

由圖6（a）可以看出隨著相對密度的增加金屬絲網(wǎng)橡膠的阻尼材料的切線模量在增加，阻尼特性越明顯，硬特性也越明顯，對于小相對密度的試件在15%幅值的情況下只表現(xiàn)出了線性特性。這是因為相同外形尺寸，相對密度越大，層與層之間的絲縫隙越密集，這樣擠壓越明顯，導(dǎo)致硬特性效果明顯。圖6（b）可以看出隨著絲徑的增大金屬絲網(wǎng)橡膠阻尼材料的切線模量在增加，阻尼特性越明顯，硬特性也越明顯。這是由于金屬絲材質(zhì)越硬、剛度越高。本身的彈性模量就很高，導(dǎo)致絲徑越大的材料非線性彈性模量變化比較大。

圖6 不同參數(shù)的靜態(tài)壓縮試驗Fig.6 Static compression of different parameters

2.2 靜態(tài)剪切試驗

由文獻［8］可知，金屬橡膠在垂直于成型方向上的2個方向均勻性能良好，因此對材料的剪切試驗只要選取在水平方向上的任意一個方向即可，現(xiàn)對以上參數(shù)的金屬橡膠試件也分別沿成型方向進行變形幅值為5%、10%、15%、20%的剪切試驗。試驗結(jié)果如圖7。

圖7（a）～（c）表示的是試件D?F1、FD?F0和FD?F1這3種不同變形幅值下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。材料的剪切特性和壓縮特性并不相同，但都表現(xiàn)出滯回耗能現(xiàn)象。金屬橡膠材料的非線性是由材料內(nèi)部金屬絲不同的變形造成的，而各向異性是由材料制作工藝中受壓面和非受壓面的變化規(guī)律不同造成的。故金屬橡膠材料具有非線性和各向異性的特點。試件在剪切作用下，同樣表現(xiàn)出一定的遲滯性能，但沒有明顯的硬特性。遲滯性能是由內(nèi)部彈簧間的摩擦作用，無硬特性是由材料內(nèi)部沒有出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象。

圖7（d）表示的是變形幅值為15%時，3種試件的剪切應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線的比較?？梢钥闯霾捎脽o紋工藝的材料剛度明顯弱于其他2個試件。進口試件在變形比較大的工況下，剪切模量稍大于自行研制的材料。綜上，采用紋路工藝可增強材料的壓縮和剪切性能。

圖7 不同工藝試件沿剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Shear stress?stain curves of different craft specimens

3 金屬橡膠各階段壓縮性能分析

金屬橡膠材料由其特殊的制備工藝可知，當(dāng)施加載荷初級階段，材料內(nèi)部的金屬絲產(chǎn)生很小的滑移，材料中彈簧受到變形，剛度幾乎不會發(fā)生變化，力與位移呈線性，阻尼很小。當(dāng)施加的載荷繼續(xù)增大時，材料中的彈簧相互接觸，并產(chǎn)生了滑移，但此時滑移的程度很小，從而導(dǎo)致剛度下降，力與位移呈現(xiàn)軟特性，阻尼增加。于此同時，滑移產(chǎn)生了摩擦力，耗散了能量。當(dāng)載荷繼續(xù)增大時，材料中的彈簧由滑移變成了擠壓，剛度增大，此時的力與位移呈現(xiàn)硬特性。因此當(dāng)加載的幅值不斷增大時，其力與位移變化呈現(xiàn)線性-軟特性-硬特性的變化。材料的阻尼與剛度呈現(xiàn)非線性特性。

在以上的試驗中可以看出，材料在壓縮過程中沒有發(fā)生明顯的軟特性。這是由于相對密度越大的金屬橡膠硬特性越明顯。本試驗材料相對密度較低，本身軟特性不明顯，且由于試驗儀器精度的問題，不易發(fā)覺，因此需要分階段對金屬橡膠進行試驗用于測試其不同階段的壓縮性能。

本文同時對試件FD?F1進行壓縮試驗，該試驗給出的控制循環(huán)力為30、150、850 N等3種不同壓縮載荷，并且在每種載荷狀態(tài)下進行小范圍載荷下循環(huán)壓縮。金屬橡膠材料變形受力可以分為3個階段：

1）第1階段為初期加載線性變形階段。阻尼材料受力基本為線性。隨著載荷逐漸增大，材料內(nèi)部彈簧絲之間開始接觸，并且絲與絲之間的摩擦力逐漸增大，但還沒有超過最大靜摩擦力。金屬橡膠材料的剛度比較小，變形幅值比較大。

2）第2階段為金屬絲之間的滑移階段。隨著載荷增大，金屬絲之間的摩擦力增大，直到超過了金屬絲之間的最大靜摩擦力。絲與絲之間開始滑移，在此階段，阻尼材料出現(xiàn)顯著的剛度軟特性，但是金屬橡膠材料的軟特性范圍比較小，隨著相對密度的減小軟特性越不明顯［9?10］。

3）第3階段為金屬絲之間的硬擠壓。隨著載荷的增大，金屬絲之間出現(xiàn)了擠壓，阻尼材料出現(xiàn)了顯著的剛度硬特性。此時材料的變形比較小，但是剛度急劇增加，并且硬特性的階段最長。

圖8 不同幅值情況下的壓縮試驗Fig.8 Compression of different amplitude specimens

如圖8所示，金屬橡膠材料內(nèi)部彈簧金屬絲之間不發(fā)生明顯滑移的情況下進行的小幅值變形循環(huán)試驗，在圖8中我們可以看到，金屬橡膠材料的承受載荷從0預(yù)加載至30 N，然后開始圍繞靜力平衡點30 N加載卸載到30 N左右。阻尼材料對應(yīng)的變形循環(huán)為0→0.129 mm→0.991 7 mm。

如圖8底部可以看出：阻尼材料在這種小變形的情況下，剛度特性與初始階段近似，由于材料具有較高的剛度特性，并且有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，小幅值下的變形應(yīng)用在爆炸沖擊振動隔振的隔振器中比較適宜。

如圖8中部所示，在對絲網(wǎng)編織金屬橡膠材料進行從0預(yù)加到150 N，然后圍繞靜力平衡點150 N，加載卸載50 N左右，阻尼元件從100 N→200 N對應(yīng)的變形循環(huán)是2.034 7 mm→2.371 8 mm。此段加載處于阻尼材料的軟特性階段。材料之間的金屬絲接觸并且出現(xiàn)滑移，剛度顯著降低，并有大幅值滑移變形的曲線。此階段的表現(xiàn)出的軟特性，在實際應(yīng)用中應(yīng)引起注意。

如圖8上部所示，在對金屬絲網(wǎng)橡膠阻尼材料進行從0預(yù)加到850 N，然后圍繞靜力平衡點850 N，加載卸載50 N左右，阻尼元件從800 N→900 N對應(yīng)的變形循環(huán)是3.935 mm→3.947 2 mm。此段加載處于阻尼材料的硬特性階段。材料之間的金屬絲接觸并且出現(xiàn)擠壓狀態(tài)，剛度顯著增大，并有變形幅值明顯減小曲線。

4 結(jié)論

1）通過對不同工藝的金屬橡膠進行靜態(tài)壓縮和剪切試驗可知，紋路工藝大大改進了金屬橡膠的剛度，且通過與國外型號的金屬橡膠進行對比試驗，可以看出本文研制的同參數(shù)的金屬橡膠相差不大，能適應(yīng)一定的工況。

2）金屬橡膠的變形受力階段可分為3個階段，分別為線性-軟特性-硬特性階段的變化過程。在這3個階段的變化過程中，由于金屬絲之間的滑移從而導(dǎo)致剛度變小、同時減振耗能情況也會比較明顯。

3）分階段分析不同載荷下金屬橡膠的壓縮性能，可以看出金屬橡膠在沖壓成型方向上呈現(xiàn)非線性且與壓縮幅值相關(guān)，在垂直于成型方向上的金屬橡膠性能與成型方向有不同的特性，金屬橡膠具有各向異性。

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Research on static mechanical properties of metal rubber made of wire mesh

ZOU Guangping1，CHENG Hezhang1，CHANG Zhongliang1，WANG Peng1，WANG Ruirui2
（1.College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Chinese Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The counter bore type metal rubber product was researched and static compress experiment and shear test were carried on it.Comparative analysis and control variable methods were taken to study the static compressive property and shear property of metal rubber product systematically and comprehensively.Static performance changes of metal rubber with different structure parameters were comprehensively analyzed by experimental results.The change process of linear characteristics，soft characteristics and hard characteristics was obtained in the static com?pressing process of metal rubber product.The vibration attenuation mechanism of metal rubber was analyzed deeply according to the energy dissipation in different states.It can be ascertained that relative density and deformation are two important parameters affecting damping capacity of metal rubber damper.

metal rubber；damping material；mechanical properties；hysteresis loops；compressive property；stiffness

10.3969／j.issn.1006?7043.201401048

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1458.003.html

V252.1

A

1006?7043（2015）03?0332?05

2014?01?15.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015?01?09.基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（11372081）.

鄒廣平（1963?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

鄒廣平，E?mail：gpzou＠hotmail.com.