月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究

月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究王少纯,邓宗全,高海波,胡明(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件首次用在月球着陆器原理样机中。

采用 -71型低温万能拉伸实验机对圆环状金属橡胶试件进行了月球温度范围内的准静态刚度实验,得出了力-位移实验曲线。

采用最小二乘法对试验曲线进行了数据拟合,用M atlab编程计算得出了金属橡胶试件力-位移回归方程。

采用自由衰减法和冲击实验法分别对金属橡胶试件高、低温阻尼比和动力学特性进行了测试,最后得出了金属橡胶适合于用做月球着陆器中缓冲元件的结论。

关键词:金属橡胶;月球着陆器;力学性能;高低温中图分类号:V47;T B36文献标识码:A文章编号:1005-5053(2004)02-0027-05金属橡胶是一种特别适用于航天航空环境的弹性阻尼元件,它具有在很高或很低温度条件下仍能保持工作能力的特性。

金属橡胶是将螺旋状的金属丝放在模具中用冷冲压的方法压制成型的,其内部的金属丝相互交错勾联形成类似橡胶的空间网状高分子结构。

金属橡胶在受到外力产生位移时,金属丝之间的相互摩擦可以耗散大量能量从而起到阻尼作用。

金属橡胶可以用在传统橡胶不能使用的有特殊要求的空间飞行器上,如高温、高压、高真空、超低温及剧烈振动等环境,常被用作减振、过滤及密封等元件。

前苏联已多次成功地把金属橡胶应用在空间飞行器上[1]。

在哈尔滨工业大学研制的月球着陆器原理样机中,金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件被首次应用在着陆器的缓冲腿中。

常温下的金属橡胶力学性能有关文献已经给出[2],但较高或较低温度下的力学性能以及刚度、阻尼特性等参数还没有文献报道。

考虑到月球着陆器的工作环境温度变化较大(175~-169e),作为月球着陆器缓冲元件使用的金属橡胶必须适应这个温度变化。

因此,对金属橡胶高低温性能必须进行相关实验。

本工作对金属橡胶在月球温度范围内的高低温刚度与阻尼特性进行了试验研究。

收稿日期:2003-12-10;修订日期:2004-02-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(批准号:5037-5032)作者简介:王少纯(1963-),男,博士研究生,副教授,主要从事航天着陆器及减振器方面的研究。

1刚度试验1.1测试装置采用 -71型万能低温拉伸试验机进行金属橡胶试件的准静态力学性能测试。

拉伸试验机的主要性能参数示于表1,测试装置原理如图1。

试验中低温是靠液氮来实现,在密闭的圆桶形金属容器内加入液氮,能实现最低77K的低温,而月球表面最低温度为104K,因此液氮制冷在本次试验中完全能够满足要求。

试验中高温的实现是用柔性电热带实现。

用自制内嵌电阻丝的长条布带把试件及保温箱缠绕起来,加热一定时间后,试件可达到规定温度。

1.2测试试件试验所用的金属橡胶试件采用<0.1mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢丝缠绕而成,缠绕成的毛坯用模具冲压压制成如图2所示形状的金属橡胶圆图1金属橡胶低温压缩实验装置图F ig.1Compressio n test setting dr aw ing ofmetal rubber in low temperature第24卷第2期2004年4月航空材料学报JOURNAL OF AERONAUT ICAL MATERIALSVol.24,No.2April2004表1 -71型万能低温拉伸机主要参数T able 1 M ajor par ameters of -71univ ersaldr aw frame in low temperatureM aximum load 1000kg L oad sensitiveness 1g P mm 2M aximum defor mationsensit iveness 0.1L m M aximum defor mation 100mmDeformation velocity 2@10-3~2@10-2m PminRange of temperature to be test4.2~400K环,其内径<8mm,外径<20mm,高H 28mm 。

选不锈钢丝作为基本材料,既克服了橡胶类有机非金属材料不耐高温、耐腐蚀性差的缺陷,也克服了一般碳素钢及其他金属材料耐腐蚀性差的缺陷。

不锈钢的强度和弹性模量都比较大,对金属橡胶施加载荷时,它在压缩后的残余变形很小。

对于金属橡胶圆环在压缩后的少量残余变形,根据其所能承受的最大变形量预压4~5次,使之具有一定的预变形,这样就可以排除残余变形对金属橡胶性能的影响。

然后再进行加载试验,测定其准静态压力-位移曲线。

阻尼材料的压力-位移曲线能直观地表达该阻尼元件的承载能力,是各种阻尼元件的一个最基本的指标。

图2 金属橡胶试件示意图Fig.2 Outside draw ing o f metal rubber由于试验所用万能低温拉伸试验机只能拉伸不能压缩,因此还需要制造一个辅助工装来安装试件,把拉力转换为压力。

试验中采用自制工装如图3所示。

上、下连接螺栓分别和 -71型万能低温拉伸试验机的上、下两个安装螺孔相连,并分别从上下两个方向传递拉伸试验机产生的拉力。

上连接螺栓通过上固定板、3个轴向均匀分布的连接螺栓把拉力传到下固定板,下固定板此时产生了一个向上的力;下连接螺栓通过螺钉头把向下的拉力施加到连接压板上,连接压板对金属橡胶也产生了一个向下的力。

对金属橡胶试件而言,它受到了来自拉伸试验机的双向/压力0。

该自制工装结构简单,方便适用,巧妙地把/拉力0转换成了/压力0,而且不破坏金属橡胶试样,保证了试验的顺利进行。

图3 拉压转换辅助工装Fig.3 Aux iliar y technolo gy equipmentof tensile compression change1.3 试验结果分别对-169e ,21e ,125e 三种温度下的金属橡胶试件进行加载试验,测得三种情况下试件的准静态力学性能曲线(图4)。

图4中横坐标表示圆环试件高度H (H =28mm)压下量的百分比,纵坐标表示试件所受压力,单位为牛顿(N )。

由图4可得出如下结论:(1)无论什么温度下的金属橡胶试件,压力-位移曲线的梯度都逐渐增大,表现出很强的硬刚度特性。

这是由于随着压缩变形程度增大,金属橡胶各不锈钢丝之间的正压力和接触面积都随之增大,故丝与丝之间的摩擦力也增大,由此导致试件抗压能力增大,表现出硬刚度特性。

硬刚度特性的阻尼元件刚好适合于隔离大载荷的冲击振动[3]。

因此金属橡胶作为航天着陆器的缓冲减振图4 金属橡胶试件压缩试验力-位移曲线F ig.4 Force -displacement curv es o f metalrubber in compression testing28 航 空 材 料 学 报 第24卷阻尼元件是比较适合的。

(2)温度越高,试件的刚度值越大。

在大于15%大变形段范围内,变形量越大,不同温度下的刚度差越大。

这是因为温度越高,金属丝之间的摩擦系数越大。

在相同压缩程度(正压力和接触面积也相同)的情况下,摩擦系数越大,摩擦力越大,试件抗压能力也越大。

当然温度越高,金属丝的强度和刚度会有不同程度的下降,但下降幅度没有摩擦系数的上升幅度大,所以金属橡胶试件宏观上表现出刚度增大现象。

1.4 试验结果数据拟合试验所得数据采用欧氏范数+D +2作为误差度量的标准,即应用最小二乘法对不同温度下的金属橡胶阻尼元件力学性能实验数据进行曲线拟合。

首先以-169e 时实验数据为例,分别进行二,三,四次多项式拟合,结果如图5所示。

图中星号(*)线为试验数据曲线,实体线为数据拟合结果。

由图5可以看出,(c)图所示四次多项式拟合曲线和实验数据最贴近,而(a)和(b)图所示二次,三次多项式拟合结果不理想。

因此,金属橡胶在-169e 时的压缩试验结果以(c)图的四次拟合曲线为准。

同理,经反复实验对比,金属橡胶在21e 时的试验数据应采用四次多项式进行曲线拟合,而125e时的试验数据应采用图5 -169e 时试验结果的2,3,4次拟合曲线(a)二次拟合曲线;(b)三次拟合曲线;(c)四次拟合曲线F ig.5 Fitting curves of 2,3,4order testing r esults w hen temperature is -169e(a)2order fitting curves;(b)3order fitting curves;(c)4or der fitting curves三次多项式拟合比较理想。

图6为金属橡胶分别在3个温度时用最小二乘法进行曲线拟合后的最佳结果。

对应这3条曲线,回归方程为:y =0.0001x 4-0.0053x 3+0.0944x 2- 0.387x +0.9615(T =-169e )y =0.0001x 4-0.0022x 3+0.0279x 2+ 0.0457x +0.2708(T =21e )(1)y =0.0048x 3-0.121x 2+1.1617x - 1.3676(T =125e )式中:y )阻尼元件所受压力(N),x )元件高度的百分数(H %)。

2 阻尼试验作为减振缓冲元件使用的金属橡胶,必须要测试其动态特性即阻尼性能。

当所使用的阻尼元件的阻尼机制无法精确知道时,常采用自由衰减法测试出其自由衰减振动位移-时间曲线,然后按下式确定阻尼比[4]:图6 金属橡胶力-位移拟合曲线F ig.6 For ce -displacement fittingcurves of metal rubberF =11+(2P P D )2(2)式中:D 为对数衰减率,可按下式计算: D =lnA nA n +1(3)29第2期 月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究式中:A n,A n+1分别为位移-时间振动曲线第n,n+1个振幅值。

关于金属橡胶在常温下的阻尼比,已有文献报道,但金属橡胶在月球温度范围内阻尼比却未见报道。

本研究测试了月球高温(125e)、月球常温(21e)和月球低温(-173e)三种情况下的阻尼比。

实验中高温、低温的实现分别采用液氮冷却和电热带加热的方法实现。

表2为金属橡胶试件高温时采用自由衰减法测得的每一振动周期的振幅值。

表2高温金属橡胶振幅值T able2Amplitude magnitude of metal rubberin high temperatur eF ading factor12345A mplitude of vibration P mm10.24.52.62.1 1.7依次由方程(3),(2)计算可得出阻尼比F1,F2 ,,F5,然后求其平均值,得出高温金属橡胶的平均阻尼比F=0.071。