金屬橡膠的阻尼及高溫性能試驗(yàn)研究

劉　鵬，趙亞哥白，董　宇，陳禹曉圻(東北林業(yè)大學(xué))

金屬橡膠的阻尼及高溫性能試驗(yàn)研究

劉鵬，趙亞哥白，董宇，陳禹曉圻
(東北林業(yè)大學(xué))

摘要:金屬橡膠是一種新型的材料，它由細(xì)金屬絲卷成彈簧卷經(jīng)過(guò)編織和沖擊壓縮制造而成，它的優(yōu)點(diǎn)是耗能大、彈性好、不懼高低溫作用、不易腐蝕變質(zhì)等。為了將金屬橡膠這種多孔彈性材料應(yīng)用于建筑及橋梁，耗散地震和風(fēng)載振動(dòng)能量，采用不同加工工藝成型密度的金屬橡膠試件，在不同應(yīng)變幅值、高溫等條件下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)試其在壓縮、剪切變形下的耗能性能，同時(shí)分析材料的等效阻尼比參數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而得出金屬橡膠利用金屬絲之間干摩擦形成的阻尼原理。為金屬橡膠本構(gòu)關(guān)系的推導(dǎo)提供基本參數(shù)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:金屬橡膠;耗能減震;性能試驗(yàn);阻尼比

中圖分類(lèi)號(hào):U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

文章編號(hào):1008－3383(2015)06－0007－02

收稿日期:2014－09－12

基金項(xiàng)目:東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

金屬橡膠(Metallic Rubber，MR)是一種由相互交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬絲纏繞而成的彈性多孔材料。目前金屬橡膠在工程機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域被用作耗能隔震部位的材料，但是在土木工程領(lǐng)域很少作為耗能減震裝置而使用，因此開(kāi)發(fā)自復(fù)位能力的新型金屬橡膠材料耗能減震裝置是有一定的工程實(shí)際意義的。為了研發(fā)此類(lèi)阻尼器，展開(kāi)了金屬橡膠材料試件的力學(xué)性能研究工作，首先加工了三種成型密度的0Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲金屬橡膠試件，然后進(jìn)行壓縮剪切力學(xué)試驗(yàn)，得到的力與位移的包絡(luò)滯回曲線(xiàn)說(shuō)明加載幅值、成型密度、高溫等因素對(duì)試件阻尼耗能性能均有明顯影響，根據(jù)影響規(guī)律研究分析了金屬橡膠材料的阻尼耗能機(jī)理，為下一步設(shè)計(jì)材料本構(gòu)關(guān)系、研制減震器提供重要依據(jù)。

1　金屬橡膠的阻尼性能試驗(yàn)

1.1加工環(huán)節(jié)和力學(xué)試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)用的金屬橡膠試件是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)加工制造的，基本流程是用特殊加工設(shè)備將細(xì)金屬絲經(jīng)纏繞為螺旋形狀的彈簧卷，再將其編織成網(wǎng)狀并用滾輪卷成毛坯，最后將此毛坯按照實(shí)驗(yàn)要求放入相應(yīng)的模具中經(jīng)過(guò)沖壓，最終制作成試驗(yàn)元件。

本實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)是哈爾濱工程大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，試驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)生產(chǎn)制造的電液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)是INSTRON Fast Track TM8801。試驗(yàn)機(jī)基本參數(shù)如表1。

表1　試驗(yàn)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)機(jī)可以將力傳感器和位移傳感器采集力和變形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電腦中以方便提取，采樣頻率可以人工控制。由于試驗(yàn)機(jī)本身不具備放置金屬橡膠試件的裝置，因此試驗(yàn)前先按照需求制備試件壓縮和剪切夾具裝置。

1.2金屬橡膠材料的壓縮與剪切性能試驗(yàn)

采用三種成型密度的試件，具體參數(shù)如表2中所示。

表2　金屬橡膠試件參數(shù)

成型密度計(jì)算公式為

式中:ρs為試件密度;ρm為金屬絲材料的密度。

首先進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，分別對(duì)MRS－A、MRS－B和MRS－C施加靜態(tài)循環(huán)壓縮荷載，加載速率5 mm/min，分別以5%、10%、15%、20%的應(yīng)變幅值對(duì)試件進(jìn)行壓縮，每種幅值循環(huán)加載5次。

圖1　試件壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)

圖1(a)、(b)、(c)分別為試件MRS－A、MRS－B和MRSC在不同幅值應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖中的包絡(luò)曲線(xiàn)可以看出，試件的最大壓應(yīng)力隨著應(yīng)變幅值的增加也隨之增大，滯回曲線(xiàn)也更加飽滿(mǎn)，滯變耗能能力隨著變形的增加而增大;圖中還可看出，總共加載5圈的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)基本重合，試件能夠承受多次的加卸載循環(huán)，這也說(shuō)明此材料具有良好的耐疲勞性能。另外，試件加載應(yīng)變值達(dá)到20%時(shí)卸載曲線(xiàn)依然又回到原始加載點(diǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)塑性應(yīng)變，可回復(fù)變形較大，這一結(jié)果表明金屬橡膠材料具有很好的彈性。綜上所述試驗(yàn)表現(xiàn)出的特性說(shuō)明，金屬橡膠材料是用于制作土木結(jié)構(gòu)減震阻尼器的理想材料。

接下來(lái)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)工況:試件情況同表1，對(duì)試件施加剪切荷載，與壓縮試驗(yàn)相同，加載幅值分別為5%、10%、15%、20%，加載波形為正弦波，加卸載圈數(shù)仍為5圈。

圖2(a)、(b)、(c)分別表示在不同應(yīng)變幅值下三種密度試件MRS－A、MRS－B、MRS－C的剪切應(yīng)力應(yīng)變包絡(luò)曲線(xiàn)。由圖中可見(jiàn)，隨著加載幅值的逐漸增大，加卸載曲線(xiàn)的包絡(luò)面積即試件耗散的能量隨之增加，此結(jié)果與之前壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)的特性相似;同一幅值的加載剛度基本不變，幅值越大，剛度越低，主要原因是剪切變形越大，金屬絲之間的間距越大，剪切方向的干摩擦力越小。

圖2　三種剪切幅值下應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)

2　金屬橡膠阻尼比與耗能機(jī)理分析

為比較不同成型密度試件的阻尼性能，采用等效阻尼比作為參數(shù)，它根據(jù)公式(2)計(jì)算。

式中: WD(a0)為幅值為a0的滯回曲線(xiàn)包絡(luò)面積; WS為彈性勢(shì)能，WS=K; K為剛度，分別計(jì)算試件在不同應(yīng)變幅值下等效阻尼比，如表3所示。

由表3中的等效阻尼比數(shù)據(jù)可以看出，取相同的應(yīng)變值條件下，密度越大，等效阻尼比也越高。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樵嚰?nèi)纏繞的不銹鋼絲數(shù)量很多，這些鋼絲之間相互干摩擦力越大，從而出現(xiàn)阻尼性能增加的現(xiàn)象。從表中還可以看出，壓縮與剪切阻尼比數(shù)值均隨著剪切應(yīng)變的增加而減小。

表3　不同密度試件的等效阻尼比與應(yīng)變幅值的關(guān)系

基于金屬橡膠材料耗能器的剛度和阻尼特性與變形有關(guān)，當(dāng)振幅不斷改變時(shí)，耗能器會(huì)呈現(xiàn)不同的剛度和阻尼特性。根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，振幅較小時(shí)，金屬絲之間相對(duì)滑動(dòng)位移很小，阻尼性能也比較差。隨著應(yīng)變幅值的逐漸增大，金屬橡膠元件中的不銹鋼絲彈簧相互滑動(dòng)接觸并產(chǎn)生干摩擦。當(dāng)振幅再繼續(xù)增大時(shí)，金屬絲間發(fā)生明顯的滑移，從而耗能能力更加增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果中的遲滯回線(xiàn)也表明了金屬橡膠的干摩擦阻尼特性，以上就是根據(jù)此次試驗(yàn)分析得出的金屬橡膠材料的阻尼機(jī)理。

3　高溫對(duì)金屬橡膠阻尼性能的影響

利用疲勞試驗(yàn)機(jī)配置的高溫箱進(jìn)行高溫試驗(yàn)環(huán)境模擬。取密度0.23試件MRS－A，環(huán)境溫度分別為100℃、180℃，加載幅值分別為15%、20%，進(jìn)行靜力壓縮試驗(yàn)。

圖3為幅值為15%、20%高溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖中可知，高溫下滯回曲線(xiàn)的形狀與常溫時(shí)基本一致，試件的壓應(yīng)力隨溫度的升高而增大，主要是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，金屬橡膠內(nèi)部的不銹鋼絲之間的干摩擦力越大，整體金屬橡膠試件出現(xiàn)強(qiáng)度剛度均增大的現(xiàn)象。

圖3　幅值為15%、20%高溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

4　結(jié)論

針對(duì)不同成型密度不銹鋼絲金屬橡膠試件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，分別研究了其壓縮和剪切滯變耗能性能，測(cè)試了荷載幅值、高溫等因素對(duì)金屬橡膠試件力學(xué)性能和阻尼特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:加卸載循環(huán)次數(shù)對(duì)試件壓縮應(yīng)力－應(yīng)變滯變性能沒(méi)有顯著影響，其耗能性能比較穩(wěn)定。隨著應(yīng)變幅值的增加，金屬橡膠材料的回復(fù)力越大，滯遲回線(xiàn)所包圍的面積越大，振動(dòng)能量消耗的越多，等效阻尼比也越大;隨著溫度的升高，金屬橡膠耗能器的剛度增加，耗能能力也隨之加強(qiáng)。通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，金屬橡膠材料的剛度較低，下一步將研究如何提高金屬橡膠耗能減震材料的剛度和阻尼性能，摻加有機(jī)材料復(fù)合處理，提高剛度，增加其滯回耗能能力。

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