金属橡胶材料疲劳损伤性能研究

第４７卷第２期　２０ｌ１年１月　机械工程学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．２　

Ｊａｎ．　２０１１　

ＤｏＩ：１０．３９０１／　ⅥＥ．２０１１．Ｏ２．０６５　金属橡胶材料疲劳损伤性能研究木　

王尤颜　白鸿柏　侯军芳　（军械工程学院火炮工程系石家庄０５０００３）　

摘要：对设计制作的固支圆盘形金属橡胶构件进行疲劳损伤特性试验研究，对其疲劳损伤性能的分析表明金属橡胶材料的疲　劳破坏不同于实体材料，它不会发生突然断裂失效，其疲劳破坏形式主要是其内部的金属丝产生局部断裂、破碎和磨损，从　而在构件内部产生累积损伤，宏观上表现为承载能力和耗能性能不断衰减；通过对其内部金属丝两种典型勾连结构耗能方式　随振动周期变化情况的分析，揭示金属橡胶材料疲劳损伤机理主要是其内部勾连结构滑移挤压方式的不同及金属丝间的微动　摩擦、磨损及断裂；用刚度损伤和阻尼损伤描述金属橡胶的疲劳损伤过程，并提出综合损伤因子Ｄ作为金属橡胶疲劳失效　判据。　关键词：金属橡胶　弹性多孔材料　疲劳损伤微动摩擦　中图分类号：ＴＢ３０２　ＴＰＩ８３　

Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｄａｍａｇｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌ　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ＷＡＮＧ　Ｙｏｕｙａｎ　ＢＡＩ　Ｈｏｎｇｂａｉ　ＨＯＵ　Ｊｕｎｆａｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｇｕｎｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｄｉｓｋ　ｔｙｐｅ　ｍｅｔａｌ　ｒｕｂｂｅｒ　ｐｉｅｃｅ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｒｕｂｂｅｒ　ｉｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｓｏｌｉｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆｍｅｔａｌ　ｒｕｂｂｅｒ　ｉｓ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｉｎｎｅｒ　ｐａｒｔｉａｌ　ｗｉｒｅｓ　ｗｅａｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，ｓｏ　ｉｔ　ｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｒｕｐｔｕｒｅ　ａｓ　ｓｕｄｄｅｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｌｏａｄ－ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｔａｐｅｒｅｄ　ｉｎ　ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｉｅｗ．Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｒｕｂｂｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｌｉｎｋｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｗｉｒｅｓ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｙｃｌｅ．ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｌｉｐ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｉｎｎｅｒ　ｌｉｎｋｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｅｔｔｉｎｇ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｗｅａｒ，ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｗｉｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｒｏｂｂｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｄａｍａｇｅ　ｆａｃｔｏｒ　Ｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｅｔａｌ　ｒｕｂｂｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｅｌａｓｔｉｃ　ｐｏｒｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　Ｆｒｅｔｔｉｎｇ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　

０前言　金属橡胶是一种具有高阻尼性能的新型材料，　具有阻尼性能好、弹性性能高、真空中不挥发、不　惧怕辐射环境、能耐太空中的高、低温、抗疲劳老　化寿命长、可以长期保存等优良特性。以其替代橡　胶制造的弹性阻尼元件，在产品的寿命、可靠性和　使用性能方面有明显的改进，这种新型阻尼材料将　在尖端武器装备，尤其是航空航天领域具有广泛的　应用前景。　目前国内对金属橡胶材料的研究起步较晚，到　国家自然科学基金资助项Ｉ￣Ｉ（５０７７５２２０）。２０１００４０７收到初稿，２０１００９１４　收到修改稿　目前为止，绝大部分的研究都集中在力学性能、迟　滞模型以及耗能减振等领域，而对金属橡胶的疲劳　性能方面的研究开展很少¨Ｊ。金属橡胶属于一种结　构材料，又是非连续体多孔材料，在一定的振动条　件下随振动次数的增加，金属橡胶材料不会像实体　金属材料一样突然发生断裂而失效，而是其内部的　金属丝发生局部断裂破坏，使构件产生累积损伤。　而一般情况下，金属丝的局部断裂破坏并不意味着　整个构件的最终失效，这也使得适用于连续体金属　材料疲劳方面的理论不能直接应用于金属橡胶材　料Ｌ２Ｊ。本文针对金属橡胶材料在疲劳特征方面不同　于实体金属材料的特点，借鉴纤维增强复合材料和　钢丝绳的疲劳特征分析方法　Ｊ，从试验的角度对金　属橡胶材料的疲劳损伤行为特征及疲劳损伤表征方　２０Ｉ１年１月　王尤颜等：金属橡胶材料疲劳损伤性能研究　６７　式（１）实际上就简化为线性粘性阻尼；当　＝０时，　阻尼力仅与速度符号有关，式（１）表示干摩擦阻尼；　当　在（Ｏ，１）范围内变化时，表示既有干摩擦阻尼特　性又有粘性阻尼特性的混合型阻尼。　

位移ｙ／ｍｍ　图５迟滞回线分解　

金属橡胶疲劳损伤分析　金属橡胶材料疲劳损伤过程可以看作在循环　载荷作用下，材料性能不断退化的过程，对各振动　周期下的迟滞回线进行分析，如图６所示，可以看　出金属橡胶试件在振动一定周次之后，迟滞回线随　着振动周次的增加逐渐变得扁平，说明金属橡胶构　件的承载能力和耗能性能均发生衰减。　

歪　尾　

４　—３　—２　—１　０　ｌ　２　３　４　位移ｙ／ｍｍ　

图６各个振动周期下的迟滞回线　通过对各振动周期下的迟滞回线进行辨识，可　以得出一阶刚度，三次非线性刚度，阻尼系数，阻　尼成分因子随振动周期变化的曲线，如图７～ｌ０所　示，进而可以分析金属橡胶构件的承载能力和耗能　性能的变化。　由图７～１０可以看出，在试件振动初期，试件　三阶刚度、阻尼系数明显增加，振动１５　０００次后，　试件刚度和阻尼系数呈现下降趋势；阻尼成分因子　在振动循环初期下降迅速，到振动１５　０００次左右，　

逐渐趋于一个常值。金属橡胶构件各性能参数的变　化，是其内部金属线匝组织结构发生变化的体现，　通过对其分析可以得到各性能参数变化的原因。　

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循环周期Ｎ／Ｊ０４次　图７一阶刚度随振动周期的变化曲线　

循环周期Ⅳ／１０　次　图８三阶刚度随振动周期变化曲线　

循环周期＾　ｌＯ　次　图９阻尼系数随振动周期变化曲线　

循环周期Ｎ／１０　次　图１Ｏ阻尼成分因子随振动周期变化曲线　

¨ｍ∞　∞∞　∞　２０１１年１月　王尤颜等：金属橡胶材料疲劳损伤性能研究　Ｗ＝　＋ｇ，－ｏ　（２）　金属橡胶耗能粘性耗能部分　主要与ａ类勾　连结构的数目有关，ａ类勾连结构是不稳定的，随　着循环周期的增加，其数目是逐渐减少的，如图１４　所示，因而金属橡胶材料粘性耗能也必然减少。　干摩擦耗能大小与构件中接触线匝数目ｎ、线　匝间接触正压力ＰⅣ、线匝摩擦因数　成正比。　

∞ＰＮｔｍ　（３）　由于振动初期金属橡胶材料内部组织结构是　不稳定的，丝线间的滑移挤压使得接触线匝数目逐　渐增加，但到了一定次数后，由于线匝的磨损、断　裂，接触线匝数目随着振动周期的增加反而会下降，　如图ｌ５所示。　

吣　嚣　丑　

整０　崮　《　藿　晕驽　

通过对影响干摩擦耗能各因素的分析，由式（３）　可以看出，干摩擦耗能随着循环周期的增加，干摩　擦耗能先是增加，到达一定循环周期，逐渐下降。　由于在金属橡胶勾连结构中，ａ类勾连方式所　占比例较小，在振动初期，这部分勾连结构迅速的　转变为ｂ类勾连结构，金属橡胶材料中干摩擦耗能　所占比例大于粘性耗能，阻尼系数表现为随着振动　周期的增加逐渐增加，到了１５　０００次左右，逐渐　减小。　３．３．３　阻尼成分因子随循环周期变化规律分析　阻尼成分因子的变化反映了金属橡胶材料耗　能方式的改变。在循环周期初期，金属橡胶内部组　织结构是不稳定的，随着循环周期的增加，金属橡　胶内部丝线问的滑移、错动使得ａ类勾连结构的比　例迅速下降，ｂ类勾连结构数目逐渐增多，如图１４　所示，由前面分析ａ类勾连结构耗能以粘性耗能为　主，随着ａ类勾连结构数目的减少，金属橡胶材料　耗能中粘性耗能部分逐渐减小，干摩擦耗能成分增　加，从而反映了阻尼成分因子在循环周期初期迅速　减小；循环振动到１５　０００次左右，金属橡胶材料内　部组织结构趋于稳定，其耗能方式也趋于稳定，阻　尼成分因子保持在０．２３左右。　

图１５金属接触线匝所占比例随循环周期变化示意图　４　金属橡胶材料疲劳损伤表征　由于采用位移控制，一阶刚度、三阶刚度的随　振动周期的变化反映了线匝间接触正压力的变化规　律，如图７、８所示，可见，线匝间接触正压力必然　是随着振动周期的增加而快速增加，然后逐渐下降。　研究表明，线匝间摩擦因数随循环周期的变化　分为４个阶段：①接触表面膜去除，摩擦因数较低；　②第一、第二体之间相互作用增加，发生粘着，摩　擦因数上升，并伴随材料组织结构的变化；③磨屑　剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，　因第三体的保护作用，粘着受抑制，摩擦因数下降；　④磨屑不断形成和排除，形成和排除的量达到平　衡，磨损进入稳定阶段　ｕＪ，如图１６所示。　

籁　糍　｛罄　

循环周期Ｎ　图ｌ６摩擦因数随循环周期变化规律示意图　

金属橡胶材料的疲劳破坏不同于实体材料，它　不会发生突然断裂失效，而是由其内部的金属丝产　生局部断裂、破碎和磨损，从而在构件内部产生累　积损伤。一般情况下，金属丝的局部断裂破坏并不　意味着整个构件的最终失效，因此需要找出能够反　映金属橡胶构件渐进式累积损伤程度的参量。　由前面的分析可知，金属橡胶材料疲劳损伤的　过程就是其承载能力和耗能性能发生衰减的过程，　为准确地描述金属橡胶的疲劳损伤过程，可以用其　刚度损伤和阻尼损伤来表征。由于阻尼成分因子反　映的只是金属橡胶材料的耗能方式，本文选用线性　刚度，三次非线性刚度，阻尼系数来表征金属橡胶　疲劳损伤累积破坏的程度【Ｊ”。它们是振动周期Ⅳ的　函数，表达式为