橡胶疲劳寿命研究概况_华阳

发动机橡胶悬置疲劳寿命的研究进展刘泰凯，刘梦岩（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434）摘要：针对橡胶悬置疲劳寿命预测的研究，综述国内外橡胶材料及橡胶元件疲劳寿命预测方法及其发展。

橡胶悬置疲劳寿命的预测方法主要分为裂纹萌生法和裂纹扩展法。

裂纹萌生法中，相对于应变和应变能密度，等效应力为损伤参量建立的橡胶疲劳寿命预测模型更适用于橡胶悬置疲劳寿命预测；应用裂纹扩展法建立的橡胶疲劳寿命预测模型能较好地预测橡胶悬置疲劳寿命；与裂纹萌生法相比，裂纹扩展法可预测橡胶悬置的裂纹方向，对工程实际有更好的指导意义。

关键词：发动机橡胶悬置；疲劳寿命；裂纹萌生法；裂纹扩展法；预测模型；等效应力中图分类号：TQ336.4；TQ330.1 文章编号：1000-890X（2020）06-0475-05文献标志码：A DOI：10.12136/j.issn.1000-890X.2020.06.0475发动机悬置系统是发动机动力总成与车架之间的弹性连接系统，可以对动力总成与车架之间的振动进行双向隔离。

因此，发动机悬置的设计直接影响发动机的振动向车体的传递，从而影响整车的噪声、振动和声振粗糙度性能[1]。

按照隔振器材料分类，发动机悬置可分为橡胶悬置和液压悬置[2]。

橡胶悬置由于结构紧凑、价格低、便于维护和使用寿命长等优点而得到广泛应用[2]。

从工作环境和承载状况看，橡胶悬置大部分时间处于较大的静载荷或长时间连续交变载荷环境下，其容易因疲劳而失去原有的性能。

因此，防止或减少橡胶悬置发生疲劳损坏是其设计的关键问题，也是整个车辆系统安全工作的保障。

为确保橡胶悬置的安全性和可靠性，对其进行正确的疲劳分析与评估尤为重要。

近年来，国内外学者提出了多种橡胶材料疲劳寿命预测模型及相应的试验方法[3-4]，疲劳试验方法主要分为裂纹萌生法和裂纹扩展法。

橡胶材料疲劳过程由裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段组成，裂纹萌生阶段是指橡胶材料固有的不可见的微小裂纹逐渐长大（萌生）和聚集成为可见裂纹；裂纹扩展阶段是指可见裂纹不断增长直至橡胶材料破坏[3]。

油浸条件下螺杆泵定子橡胶疲劳寿命研究采油螺杆泵一般应用于浅井,并且有较短的寿命,提高螺杆泵的使用寿命一直是一个亟待解决的问题。

通过现场调研,定子橡胶的疲劳是导致螺杆泵失效的重要原因之一。

目前,主要使用疲劳试验的方法来测试橡胶产品的疲劳寿命,但这种方法成本高,周期长,所以很难测试各种橡胶产品的疲劳寿命。

目前国内很少研究螺杆泵定子的疲劳性能,特别是油浸条件下螺杆泵定子橡胶的疲劳性能。

为了使螺杆泵定子橡胶的疲劳寿命符合油田环境,选用断裂力学理论和数值模拟理论对螺杆泵的疲劳寿命进行了研究。

建立了油浸条件下的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命的预测模型,对螺杆泵疲劳寿命的研究具有重大意义。

进行在不同温度下油浸与非油浸条件下的单轴拉伸与平面剪切试验,得到了不同温度下油浸与非油浸条件下的应力应变曲线,揭示了不同温度下油浸与非油浸状态下应力应变关系随着温度的变化趋势。

基于试验数据,利用ABAQUS软件对两种典型的本构模型进行的拟合对比分析,对拟合效果好的本构模型进行温度、油浸条件的修正,确定一个与温度、油浸相关的螺杆泵的定子橡胶材料的本构模型。

基于以上修正得到的与温度油浸相关的螺杆泵定子橡胶材料的本构模型对螺杆泵进行力学特性分析,分析了接触应力、等效应力及应变的分布规律,确立了螺杆泵定子橡胶的疲劳危险截面。

根据上述理论,开展了常温条件下不同预制切口的油浸与非油浸条件下的橡胶试件的疲劳试验,获得了常温条件下油浸与非油浸介质下在不同预制切口时的疲劳寿命曲线,建立了常温油浸与非油浸介质下的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命预测模型。

根据螺杆泵力学特性分析结果,确定螺杆泵定子橡胶的应变能释放率范围,再基于常温条件下油浸与非油浸介质下的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命的预测模型,对常温状态下油浸与非油浸介质下的螺杆泵定子橡胶的疲劳寿命进行预测,结果表明,在常温条件下,螺杆泵经油浸后寿命明显降低。

橡胶液压软管疲劳寿命橡胶液压软管是机械设备中重要的传动元件之一，广泛应用于工程机械、农业机械、矿山机械等领域。

但是，由于在使用过程中会受到多次弯曲、扭转、拉伸等复杂力学作用，软管的使用寿命可能会受到限制。

因此，研究软管的疲劳寿命对于延长机器设备的使用寿命、提高生产效率、降低维护成本具有重要意义。

一、橡胶液压软管的结构及疲劳失效形式橡胶液压软管主要由内层橡胶、增强层（钢丝层或纤维层）、外层橡胶等组成。

其中，增强层是主要承受软管内部压力和外部载荷的部分，因此其力学性能直接影响软管的疲劳寿命。

软管的疲劳失效形式包括裂纹、断裂、脱层等。

二、影响橡胶液压软管疲劳寿命的因素1. 工作压力：软管的工作压力越高，其内部应力也会相应增大，从而导致软管的疲劳寿命缩短。

2. 弯曲半径：软管在弯曲时，增强层的受力状态发生变化，可能会导致增强层的断裂或脱离，从而影响软管的寿命。

因此，弯曲半径越大，软管的疲劳寿命也越长。

3. 活塞速度：液压系统中，活塞速度越快，液流速度也越快，从而对软管内部增强层形成的冲击力也越大，进而缩短软管的疲劳寿命。

4. 温度：橡胶材料在不同温度下的物理性能存在很大差别，过高或过低的温度都会对软管的使用寿命产生不利影响。

三、橡胶液压软管的疲劳试验方法为了确定橡胶液压软管的疲劳寿命，需要进行相应的疲劳试验。

目前，常用的疲劳试验方法有两种：弯曲疲劳试验和脉动压力疲劳试验。

1. 弯曲疲劳试验：将软管固定在弯曲半径一定的模具上，进行反复弯曲，记录软管在特定次数下出现裂纹或失效的情况，以此来评估软管的疲劳寿命。

2. 脉动压力疲劳试验：将软管连接到液压系统中，在特定的压力和频率下进行循环压力加载，记录软管在特定次数下出现裂纹或失效的情况，以此来评估软管的疲劳寿命。

四、如何延长橡胶液压软管的使用寿命在实际应用中，为了延长橡胶液压软管的使用寿命，可以从以下几个方面入手：1. 选择合适的软管型号和规格，根据实际工作条件进行合理的选择。

橡胶材料老化机理与寿命预测研究橡胶材料是我们日常生活中广泛应用的材料，如轮胎、密封制品、管道等等，但是随着时间的推移，橡胶材料会出现老化现象，导致其性能下降，失去原有的功能。

了解橡胶材料老化机理和寿命预测研究对于橡胶材料的使用和生产具有重要意义。

一、橡胶材料老化机理橡胶材料在使用过程中会遭受各种外界因素的影响，导致其材料性能发生变化，出现老化现象。

橡胶材料老化机理可以从以下几个方面进行分析。

1. 氧化老化氧化是导致橡胶老化的主要因素之一。

在空气中含氧量高的环境中，橡胶材料很容易出现氧化现象。

氧化过程中，橡胶分子的长链高分子结构会断裂，并形成一些小分子氧化产物。

2. 光老化使用橡胶材料的环境中可能会有紫外线、紫外线辐射等光源，这些光源能穿透橡胶材料并与其分子发生相互作用。

这些相互作用会导致橡胶材料的分子链结构断裂，从而形成一些小分子氧化产物。

3. 热老化常温下，橡胶材料的长链高分子结构相对稳定，但是当橡胶材料受热作用时，其分子结构会发生变化。

热老化的原因在于分子对热的敏感性，高温会引起橡胶分子的活化，从而使得其细胞结构发生变化。

4. 化学老化在使用橡胶材料过程中，橡胶材料会遭受各种化学因素的影响。

这些化学因素可能是有害物质、油性物质、水、酸、碱等，导致橡胶分子链变化并产生氧化物。

二、橡胶材料寿命预测研究针对橡胶材料的老化现象，科研工作者通过研究橡胶材料寿命预测，找出了一些影响橡胶材料寿命的因素。

1. 贮存条件橡胶材料贮存条件越好，其寿命相对越长。

橡胶材料的贮存温度和湿度对其寿命有很大的影响。

一般而言，橡胶材料要存储在干燥、避光、低温、低湿的环境中。

2. 使用环境橡胶材料在不同的使用环境下有不同的寿命。

在各种外部因素影响下，橡胶材料的寿命也会受到影响。

例如，橡胶管道在被暴露在紫外线和氧化剂等环境中，寿命会比暴露在其他环境下的橡胶管道寿命要短。

3. 橡胶材料类型不同类型的橡胶材料具有不同的寿命。

例如，氟橡胶的耐化学质量很高，该材料能够抵抗多数化学药品的腐蚀，寿命较长。

就橡胶材料而言，它是指橡胶材料在重复变形的过程中，当其承受的局部变形应力超过橡胶的延伸率或应力极限时，疲劳过程开始，以至于最后达到破坏。

这种疲劳破坏的开始点是由于橡胶表面或内部的不均匀性所造成的。

橡胶材料的破坏主要是由于其内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展而导致的。

按照分子运动论的观点，橡胶材料的动态疲劳破坏归因于材料本身分子链上化学键的断裂，即试样在受到周期应力一应变作用过程中，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展开来。

裂纹发展是一个随着时间而发展，涉及到橡胶材料的分子链连续断裂的粘弹性非平衡动态变化过程。

这一微观发展过程在宏观上的表现是，橡胶材料在动态应力一应变的疲劳过程中，裂纹穿过试样不断扩展，直到断裂以及产生与之所伴随的热效应。

橡胶材料的动态疲劳过程一般可以分为三个阶段：第一阶段是应力剧烈变化，出现橡胶材料在应力作用下变软的现象；第二阶段是应力缓慢变化，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，经常称之为破坏核；第三阶段是微裂纹发展成为裂纹并连续不断地扩展开，直到橡胶材料完全出现断裂破坏现象，最后这一阶段是橡胶材料疲劳破坏的最重要的阶段。

使用炭黑填充的天然橡胶硫化胶在一定负荷下多次拉伸变形时，橡胶的物理机械性能在疲劳过程中，拉伸强度先是逐步上升的，经过一个极大值后再开始下降，而撕裂强度、动态弹性模量和力学损耗因子的变化则相反。

在疲劳过程中，胶料的拉伸强度几乎保持不变。

300％定伸应力的疲劳开始阶段明显增大，然后增大趋于缓慢；扯断伸长率则随疲劳周期的变化而下降，在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶抗疲劳破坏性能较好。

未使用补强剂补强的橡胶材料，其破坏形态一般表现为塑性破坏，而使用炭黑或其它活性填料作补强剂的橡胶材料则表现为脆性破坏，且随着各种防老剂的加入，其破坏形态由脆性破坏逐步向准塑性破坏形态转变。

天然橡胶在受到一定频率的应力作用的条件下，由于分子链的内摩擦而生热是其动态疲劳破坏的另外一种因素。

橡胶制品疲劳寿命的影响因素分析发布时间：2022-06-17T07:02:23.182Z 来源：《科学与技术》2022年第2月第4期作者：张飞翔[导读] 橡胶制品一直都是人民群众日常生活中最常见的一种物品，人们在选取橡胶制品的时候，首先会考虑到其使用寿命，橡胶制品的使用寿命会受到内外环境的影响，而产生变化张飞翔凯丰集团有限公司浙江永康 321307摘要：橡胶制品一直都是人民群众日常生活中最常见的一种物品，人们在选取橡胶制品的时候，首先会考虑到其使用寿命，橡胶制品的使用寿命会受到内外环境的影响，而产生变化。

比如在使用过程中，受到循环应力以及应变拉力都会使其产生影响，从而最终导致内部结构产生变化。

这种现象的产生，值得我们去思考橡胶制品内部存在的问题，这种问题被普遍称之为橡胶疲劳。

橡胶制品本来就是一种延伸性比较大的制品，特别是在受到外界作用力的拉扯以及压缩下，对于橡胶制品的整体内部结构和外部都会造成一定的损害，这样会导致它的使用方面受到了影响。

在广大人民群众当中，橡胶制品存在着每一个生活的角落，比如汽车和日常生活用品方面都离不开橡胶材料，本文主要围绕着橡胶制品疲劳寿命影响的因素进行讨论与分析，并且提出相应的解决措施，以期给同仁参考。

关键词：橡胶制品；疲劳寿命；影响因素分析最为常见的橡胶制品，包括了轮胎以及橡胶减震器等多种制品，而这些制品在日常使用过程中载荷作用下，会产生一定的疲劳、失效，就会影响到其使用寿命。

橡胶产品在最初开始制作时，需要对于橡胶材料以及结构的各方面进行大概的评估，之后也是要结合实验和仿真技术来对产品的整体使用设备进行预估。

在进行评估中发现其存在的相应问题之后，来根据选择的材料以及设计等各方面进行改革，特别是对生产工艺方面需要进行改革，才能够对产品的质量有所提升，从而延长其使用的寿命，这样才能有效地控制成本，提高其生产的利益，为企业增加经济效益。

橡胶本来就是延展性比较广泛的一种材质，并且其中也具有复杂的应力应变关系的超弹性材料，在试剂使用过程中，循环粘合的作用下会导致橡胶出现疲劳性，因此需要针对这一方面进行研究与讨论后，制定出解决的方案。

橡胶密封圈疲劳寿命预测研究方法综述摘要：橡胶密封圈对提高设备密封性能有重要作用，通常作为密封构件广泛应用于工业机械设备。

概述橡胶密封圈的疲劳寿命研究方法，主要分为S-N曲线法、裂纹萌生法和裂纹扩展法。

从寿命预测计算理论出发，阐述常用的计算模型，总结实现橡胶密封圈寿命预测计算的方式，对初步了解橡胶材料寿命预测方法和计算模型之间的关系具有重要意义。

关键词：橡胶密封圈 S-N曲线裂纹萌生裂纹扩展寿命预测橡胶属于高分子材料，具有弹性性质，能够为设备提供良好的密封性能，因此广泛应用于燃油、液压、润滑等密封系统。

在复杂工况下，橡胶密封圈经常出现老化、破裂、永久变形、间隙咬伤、腐蚀等失效现象。

为了有效预防泄漏事件的发生，许多国内外学者对橡胶密封圈使用寿命的预测方法展开了研究。

王昊等[1][2]综述了橡胶疲劳影响因素和裂纹萌生、裂纹扩展等橡胶疲劳寿命研究方法，阐述了通过有限元仿真技术预测橡胶材料疲劳寿命的研究进展。

杜秀华等[3]概述橡胶构件的疲劳寿命研究方法主要分为裂纹成核法、裂纹扩展法和S-N曲线法，并给出各研究方法的选择依据。

王小莉等[4][5]从橡胶材料的疲劳裂纹萌生、扩展以及疲劳损伤三个角度综述了疲劳特性研究进展。

丁智平等[6]采用连续介质损伤力学方法，结合有限元分析方法对橡胶构件进行寿命预测，预测结果比较理想。

刘兵[7]以某伺服作动器为研究对象，计算了橡胶O形圈的疲劳寿命，为橡胶材料寿命预测提供了分析方法和数值依据。

王星盼[8]对不同温度和多轴应力作用下的橡胶进行疲劳特性研究，通过有限元方法对橡胶构件进行了寿命预测。

裴硕等[9]基于断裂力学理论，对丁腈橡胶建立了疲劳寿命预测模型，通过FE-SAFE软件对橡胶材料进行了寿命预测。

综上所述，橡胶材料寿命预测最常见的方法有S-N曲线法、裂纹萌生法和裂纹扩展法。

1 S-N曲线法对橡胶密封圈施加周期性应力(应变)是影响疲劳寿命的主要原因，应力(应变)增加，疲劳寿命减少，反之增加。