金屬減振器高周疲勞失效研究

中圖分類號：TB9;TG156 文獻標志碼：A文章編號：1674-5124（2025）07-0047-08

Abstract： As a new type of vibration absorber，metal vibration absorber has been widely used for the vibration attenuation of structures in various complex environmental conditions.Therefore，the fatigue reliability of metal vibration absorber will affect the safety of structure directly.In order to obtain the fatigue property of metal shock absorber，the non-standard fatigue testing fixture of metal vibration absorber is designed，and the high-cycle fatigue experiments are performed. After that，the microscopic observations of metal wire components are conducted by scanning electron microscope （SEM） and three-dimensional tomography （μCT） （20 devices.Further，the laws of fatigue loss slagsand fatigue looseness of metal vibration absorbers are successfully obtained.The research results indicate that the loading frequency has little eect on the fatigue test resultof vibration absorberwhen the loading frequencyislower than 80Hz .Theslagphenomenon of the lower end of the metal vibration absorber is more serious than that of the upper end.When the amplitude of fatigue displacement exceeds the initial preload displacement of vibration absorber， the fatigue loosening may occur，which isadoptedas the failure criterion to determine the failure life of metal vibration absorber. Consequently， a novel and universal fatigue failure life testing method of metal shock absorber is proposed in thisstudy.The fatigue failure lifeof TSJmodel metal shock absorber is successfully obtained，and its microscopic failure lawis mastered.

Keywords： metal vibration absorber; structural reliability; high-cycle fatigue; failure law; micro-analysis

0 引言

金屬減振器相較于傳統(tǒng)橡膠減振器具有耐高低溫、不易老化、剛度可設計等優(yōu)點，可在各種復雜環(huán)境條件下服役，是一種具有廣闊應用前景的新型減振器件。美蘇兩國針對金屬減振器的研究走在了世界前列，美國在20世紀50年代就已經(jīng)開始了針對金屬減振器的結構設計研究工作[1-2]，60 年代初，蘇聯(lián)在美軍機殘骸上發(fā)現(xiàn)了金屬減振器結構之后，也對其開展了大量的研究，為防止技術外泄，美蘇兩國都嚴密封鎖金屬減振器相關資料。我國針對金屬減振器的研究起步較晚，直到1997年，王新等[3]才公開發(fā)表了我國第一篇針對金屬減振器研究的期刊論文。由于金屬減振器在復雜環(huán)境服役的良好性能，其很快便引起了大家的重視。馬艷紅等[4分析了螺旋徑、絲徑、相對密度等對金屬減振器性能的影響情況，并提出了相關性能優(yōu)化建議。郝慧榮等[5]對比了由圓截面和非圓截面金屬絲制備的金屬減振器性能，其發(fā)現(xiàn)非圓截面金屬絲之間的干摩擦相較圓截面金屬絲明顯增加，意味著非圓截面金屬減振器減振性能更好，但其力學穩(wěn)定性卻難以控制。黃凱等[對金屬減振器沖壓成型過程進行了數(shù)值模擬研究，基于實際材料、工藝參數(shù)等構建的數(shù)值模型良好預測了成形壓力、模具應力、模具摩擦力等參量，為金屬橡膠減振器沖壓成型優(yōu)化研究提供了重要支撐。劉寶龍[7和曹鳳利[8等研究了回火工藝對金屬減振器力學性能的影響情況，結果表明，回火工藝能明顯提高金屬減振器的承載能力和疲勞壽命。由此可見，金屬減振器的力學性能受金屬絲材質[9-10]、截面形狀[5]、絲徑[11]、編織方式[12]等眾多參量影響，導致其性能通常分散性較大，因此也難以通過理論建模方式來描述，目前采用實驗方式來獲取其力學性能仍是最直接且有效的方式。金屬減振器在實際服役過程中主要用于承受交變疲勞載荷[13-15]，因此，開展金屬減振器的疲勞性能研究具有重要意義。JIANGH等[16-17]對金屬橡膠減振器的疲勞壽命進行了研究，結果顯示，減振器的疲勞壽命隨金屬絲直徑、預應力和相對密度的增大而增大。李國富[18在不同應力水平下對金屬橡膠減振器的疲勞失效行為開展了分析，在低應力水平下，金屬減振器中的金屬絲容易應干摩擦造成局部點蝕從而發(fā)生斷裂，在高應力水平下，金屬絲容易在接觸點產(chǎn)生振動，導致局部應力過大從而發(fā)生斷裂。李瑤琳[19]對金屬減振器開展了正弦定頻疲勞試驗，獲取了減振器固有頻率隨疲勞壽命的變化規(guī)律，并以固有頻率[20]變化 10% 做為失效判據(jù)獲取了金屬減振器的疲勞失效壽命。董秀萍等[21-22]對金屬橡膠減振器的微動磨損疲勞失效行為開展了研究，其認為金屬絲磨損可分為表面打磨、接觸面黏著、第三體床形成和穩(wěn)定磨損4個典型階段，且金屬絲易發(fā)生脆性斷裂失效。由此可見，由于金屬減振器結構變形復雜，性能分散性相較傳統(tǒng)金屬材料更大，且難以通過理論方式精確描述，導致目前針對金屬減振器疲勞性能研究的文獻較少。雖然部分學者已經(jīng)針對金屬減振器開展了疲勞研究，但由于實際服役環(huán)境差異，學者們研究的金屬減振器結構各不相同，研究方法也大相徑庭，并未獲得大家的公認。李瑤琳[20]采用金屬減振器固有頻率變化10% 做為失效判據(jù)看似為現(xiàn)有方法中最易理解且具有可操作性的方法，但實際這種方法需要多次中斷試驗，且還需另外開展固有頻率試驗來獲取減振器的固有頻率，方法較為復雜，試驗過程中中斷試驗亦可能對試驗結果造成一定影響，另外，固有頻率變化 10% 的指標也是人為確定，無明確物理意義。

為獲取更為穩(wěn)定可靠且更具操作性的疲勞失效判據(jù)，解決實際工程應用需求，本文擬對航空航天領域大量使用的TSJ型金屬減振器開展軸向高周疲勞失效研究，建立減振器疲勞試驗方法并掌握疲勞失效規(guī)律;隨后借助SEM掃描電鏡和 μCT 三維斷層掃描設備對高周疲勞試驗后試樣開展微觀分析，分析金屬減振器中金屬絲的微觀磨損和斷裂情況，

1試驗條件簡介

本次試驗采用北京環(huán)境強度研究所生產(chǎn)的TSJ型金屬減振器（見圖1），包含一個限位套筒、兩片金屬減振墊和一個限位墊片[23]，高周疲勞試驗采用最大載荷為 1kN， 最高測試頻率 200Hz 的高頻電磁疲勞試驗機來開展。由于金屬減振器為非標結構件，為使減振器能與試驗機連接，需要設計專用的過渡連接夾具，為了反映實際使用過程中可能發(fā)生的金屬減振器疲勞松動現(xiàn)象，采用整個金屬減振器開展疲勞性能測試，疲勞試驗夾具如圖2所示，上端疲勞加載夾具采用鏤空設計，便于通過內六角螺栓緊固試樣，上、下端夾具均通過試驗機自帶的鉆夾頭緊固在試驗機上。

2金屬減振器高周疲勞試驗

2.1疲勞試驗數(shù)據(jù)處理分析

考慮金屬減振器真實服役情況，試驗前應將金屬減振器擰緊到限位自鎖狀態(tài)。為觀察金屬減振器加載頻率對試驗結果的影響，首先開展了金屬減振器變頻率試驗，在正式開始變頻率試驗之前，試件已經(jīng)在 5Hz 頻率下開展了16000次疲勞試驗，基本達到了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。隨后每循環(huán)約2000次動態(tài)改變一下測試頻率，圖3展示了變頻率下試樣循環(huán)穩(wěn)定時的載荷～位移滯回曲線，從圖中可知，加載頻率的變化對金屬減振器試驗結果影響不大。因此，考慮到試驗機實際加載能力情況，正式試驗時試件加載頻率固定為 60Hz □

金屬減振器疲勞加載時采用對稱加載方式，圖4展示了載荷控制條件下，峰谷值載荷為 25N 時獲取的峰谷值壓縮位移～壽命演化曲線，從圖中可知，位移峰谷值數(shù)值較小，且峰谷值位移波動具有一致性。圖5展示了相應載荷下，循環(huán)壽命500萬次時獲取的載荷～位移滯回曲線，可以看到，3個金屬減振器500萬次壽命時的滯回曲線存在較大分散性。圖6展示了1#試樣不同循環(huán)次數(shù)下獲取的載荷～位移滯回曲線，從圖中可知，載荷～位移滯回曲線隨著加載次數(shù)的增加會有明顯的變化，后期滯回曲線所含面積相較初始階段有所下降，代表減振效果下降，但金屬減振器疲勞1000萬次時滯回曲線所圍面積仍較大，表明其仍具有較好的減振性能。

類似地，圖7～圖12展示了最大疲勞載荷分別為50、100、 150N 獲取的金屬減振器壓縮位移～壽命演化曲線，以及不同疲勞壽命次數(shù)下獲取的壓縮載荷～位移滯回曲線。從圖中同樣可以看到，金屬減振器上端壓縮位移幾乎均大于下端位移，峰谷值位移波動具有一致性，隨著加載次數(shù)的增加，峰谷值壓縮位移都在逐漸增大，表明金屬減振器永久壓縮位移在增大。同一級載荷下，不同試樣獲取的壓縮位移～壽命曲線表現(xiàn)出明顯的差異性，表明了金屬減振器有較大分散性。6#試件下端壓縮位移較其余兩個試件出現(xiàn)較大差異，可能是該試件中初始壓縮后下端有部分金屬絲凸起局部承載，導致壓縮位移很小。此外，金屬減振器最大預壓量約為 0.8mm 左右，當減振器振動幅值過大時，加載過程中夾具與試件之間會出現(xiàn)間隙，影響整體結構的振動特性，從圖12就可以明顯看出，當振動位移幅值過大時，金屬減振器滯回曲線所圍面積較小，在零載荷附近，加載和卸載曲線非常接近，幾乎喪失了減振能力，而此時外載荷做功卻很大，容易引發(fā)失效事故。

2.2疲勞掉渣現(xiàn)象和疲勞松動分析

由于金屬減振器主要通過金屬絲相互摩擦來耗散能量，其存在明顯的疲勞掉渣現(xiàn)象，但金屬絲掉渣現(xiàn)象難以定量描述，通過不斷觀察記錄試驗過程中金屬絲疲勞掉渣現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，當最大疲勞加載載荷為 25N 時，3個試件開展1000萬次疲勞試驗時均未出現(xiàn)肉眼可見的掉渣現(xiàn)象；當最大疲勞加載載荷為 50N 時，首次觀察到試件掉渣時的壽命約在279萬次 ～385 萬次之間；當最大載荷為 100N 時，首次觀察到試件掉渣時的壽命約在30萬次～39萬次之間；當最大載荷為 150N 時，首次觀察到試件掉渣時的壽命約在12萬次 -27 萬次之間。由此可見，金屬減振器承載與掉渣量成正比關系。相應的，圖13～圖15展示了最大加載載荷分別為50、100、 150N 時，試件掉渣現(xiàn)象隨加載次數(shù)的變化情況，可以看到，金屬減振器承載越大，掉渣現(xiàn)象越嚴重。此外，TSJ型金屬減振器最大預壓量約為 0.8mm 左右，考慮到減振器中的金屬絲為人工纏繞獲得，存在一定分散性，以 0.75mm 為臨界值，其是一種偏于安全的工程方法，當減振器振動幅值超過臨界值時，加載過程中連接夾具與減振器之間容易出現(xiàn)疲勞間隙，影響整體結構的振動特性，從而易導致疲勞失效現(xiàn)象發(fā)生，因此，該失效判據(jù)具有較為明確的物理意義。依據(jù)試驗結果可知，當試驗控制載荷低于 100N 時，疲勞1000萬次之后減振器的振動幅值均低于 0.75mm ，不會出現(xiàn)明顯間隙，當疲勞控制載荷為 150N 時，11#～13#試件振幅達到0.75mm 時的疲勞壽命依次為130、135、274萬次，圖16也展示了3個試樣疲勞壽命對應的循環(huán)載荷～位移滯回曲線，從圖中可以看到，此時載荷～位移滯回曲線在零載荷附近已經(jīng)較為扁平，表明減振性能較差，容易出現(xiàn)疲勞松動現(xiàn)象。從圖15可以看到，對于加載水平為 150N ，疲勞壽命達到1000萬次的試件，當加載載荷卸掉后，減振器上部的金屬片與金屬絲之間出現(xiàn)了明顯的間隙。

2.3金屬減振器微觀觀測分析

2.3.1 SEM微觀觀測分析

圖17展示了加載載荷為 25N 疲勞1000萬次后金屬絲SEM微觀觀測結果，從圖中可知，金屬絲局部區(qū)域有較為明顯的磨損痕跡，少數(shù)區(qū)域有少量磨損碎屑。圖18展示了加載載荷為 50N 疲勞1000萬次后金屬絲微觀觀測結果，從圖中可知，金屬絲中碎屑相較 25N 結果明顯增加，個別試件中發(fā)現(xiàn)了金屬絲斷裂現(xiàn)象。圖19展示了加載載荷150N 疲勞1000萬次后金屬絲微觀觀測照片，由圖可知，金屬絲各處均發(fā)現(xiàn)較多碎屑，發(fā)生扭曲、斷裂的金屬絲數(shù)量明顯增加。但金屬減振器在部分金屬絲斷裂之后仍具有較好的承載能力，僅對金屬減振器的減振性能有一定影響。綜合分析可知，金屬減振器中的金屬絲主要以脆性斷裂為主。

2.3.2 三維斷層掃描設備微觀觀測分析

采用三維斷層掃描 μCT 設備對金屬減振器開展微觀分析，圖20展示了全新金屬減振器中金屬絲組件 μCT 掃描照片，從圖中可以看出，金屬絲組件完整性較好，在不斷變化觀察視角過程中也未發(fā)現(xiàn)有明顯的金屬絲斷裂現(xiàn)象，表明金屬絲組件在一體編織擠壓成型過程中未發(fā)生金屬絲斷裂；此外，從圖中也可以看出金屬絲在擠壓成型后變形各不相同，無明顯規(guī)律，導致了減振器性能存在較大分散性。對兩個新金屬絲組件不同高度區(qū)域金屬絲體積含量進行了分析，結果如表1所示，可見金屬絲組件中部相較上下兩側更加密實，同一個金屬絲組件中不同區(qū)域范圍金屬絲體積含量相差可達 20% 以上。圖21展示了加載載荷為 150N 金屬減振器疲勞1000萬次后的 μCT 掃描結果，由圖可見，金屬絲組件中多處區(qū)域發(fā)現(xiàn)了明顯的金屬絲斷裂現(xiàn)象，主要集中在金屬絲組件與金屬鐵片接觸的上、下兩個端面，而金屬絲組件側面鮮有觀察到金屬絲斷裂現(xiàn)象。對比圖20和圖21可以發(fā)現(xiàn)，圖21中的金屬絲組件在疲勞試驗結束后明顯變得更加密實。

2.4金屬減振器疲勞試驗結果討論

本文研究的TSJ型金屬減振器主要設計用于軸向減振，但也具備一定的橫向減振能力。在實際結構中服役時，金屬減振器通常承受軸向載荷最大，承受橫向載荷相較軸向載荷會小很多，由于金屬減振器橫向變形較為困難，其橫向承載能力卻較強，在承受較小的橫向疲勞載荷時很難發(fā)生橫向疲勞失效；對于金屬減振器同時承受軸向和橫向載荷時，其橫向載荷擠壓金屬減振器時還會加強金屬減振器的軸向承載能力，從而提高金屬減振器復合加載時的疲勞失效壽命；因此，金屬減振器軸向疲勞失效是其最容易發(fā)生的一種失效形式，也是實際服役結構中較為薄弱的一面，針對金屬減振器開展軸向疲勞失效評估，就可以較好的反映金屬減振器結構的疲勞可靠性。本文針對航空航天領域大量使用的TSJ型金屬減振器開展了高周疲勞失效研究，提出了以疲勞位移振幅等于減振器預緊量為失效判據(jù)，該判據(jù)具有較為明確的物理意義，可以很方便的確定金屬減振器的疲勞失效壽命。該方法具有較好的普適性，針對形狀類似且具有一定預壓量的各型號金屬減振器都可適用。

3結束語

通過設計專用非標疲勞試驗夾具，成功實現(xiàn)了對航天用TSJ型金屬減振器的高周疲勞性能測試，獲取了不同疲勞載荷下金屬減振器的疲勞掉渣和疲勞松動失效規(guī)律。結果表明，當最大載荷為 25N 時，3個試件開展1000萬次疲勞試驗時均未出現(xiàn)肉眼可見的掉渣現(xiàn)象；當最大載荷為 時，首次觀察到試件掉渣時的壽命分別約為279萬次 ～385 萬次、30萬次 ～39 萬次、12萬次～27萬次之間；對疲勞原始數(shù)據(jù)進行分析，提出了以金屬減振器疲勞位移振幅等于預壓量做為失效判據(jù)來獲取金屬減振器的疲勞失效壽命，當加載載荷低于 100N 時，金屬減振器疲勞1000萬次均不會發(fā)生失效，當加載載荷為 150N 時，三個金屬減振器疲勞失效壽命分別為130、135、274萬次；隨后借助SEM和 μCT 設備對疲勞試驗后試樣開展微觀分析，掌握了金屬減振器中金屬絲組件的微觀磨損、斷裂失效規(guī)律。基于本文開展的研究工作，建立了穩(wěn)定可靠的金屬減振器高周疲勞性能測試和分析方法，掌握了減振器微觀疲勞失效規(guī)律，完成了既定目標。對比傳統(tǒng)的固有頻率變化量失效判據(jù)，本文提出的方法更加便捷可靠，物理意義明確，具有良好的通用性。后續(xù)將進一步開展橫向和復合加載高周疲勞試驗研究，以及微觀損傷機理和數(shù)值建模

研究。

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（編輯：劉楊）