靜動力荷載下不銹鋼絲金屬橡膠的剪切力學性能1)

趙亞哥白 叢欣建

(吉林大學，長春，130026)(杭州市城市基礎設施建設發展中心)

張新 毛晨曦 李素超

(中建一局華中建設有限公司)(中國地震局工程力學研究所)(哈爾濱工業大學)

金屬橡膠材料，因其獨特的干摩擦阻尼性能，在阻尼減震結構中得到了較好的應用。用于成型的金屬絲螺旋卷材料通常為不銹鋼絲(如1Cr18Ni9Ti)［1］，將金屬絲螺旋卷拉伸后，采用特殊工藝方法鋪放在模具中，經過冷壓成型，金屬絲之間排列成有序的內部結構［2］。這種結構被廣泛應用于各種減震和抗沖擊系統中，它因具有橡膠的彈性而得名［3］。金屬橡膠是各向異性的，現在大多數有關的研究和金屬橡膠本構模型，都描述金屬橡膠構件在承受成型壓縮方向荷載的性質，包括力學性能及與此有關的物理性能［4］;但有關金屬橡膠剪切方向性能的研究并不多見。然而，在許多的實際隔震器結構中，用于隔震的材料是工作在與其壓力成型方向垂直方向上的，因此，還應該研究剪切載荷作用下金屬橡膠的滯變耗能性能。所以，本文針對不同成型密度的金屬橡膠試件，分別進行靜力、動力荷載作用下的剪切性能試驗，探索循環加載次數、加載幅值、加載頻率等因素對金屬橡膠材料剪切滯變性能的影響規律，分析金屬橡膠材料滯變耗能能力和變形自復位能力，得到金屬橡膠的等效剪切模量、等效阻尼比、水平剛度與成型密度及剪應變的關系，為建立新型金屬橡膠材料本構模型提供數據和建模依據。

1 材料與方法

試驗用的金屬橡膠試件采用1Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲制成。絲直徑0.2 mm，螺旋卷外徑1.7 mm，毛坯成型壓力50 kN/cm2，采用400℃回火處理［5］。按照不同的成型工藝和成型密度(試件密度與所用材料的密度的比值)，制造邊長25 mm×25 mm×25 mm的立方體試件，分別編號OMR－A、OMRB、OMR－C、OMR－D，試件具體參數見表1。

表1 金屬橡膠試件參數

試驗儀器采用INSTRON4505電子式萬能材料試驗機和INSTRON Fast Track TM8801電液伺服動力疲勞試驗機，沿與沖壓成型方向垂直的兩個方向(見圖1)，對試件施加靜力和動力循環荷載。由試驗機上的力傳感器和位移傳感器采集力和位移的數據，在常溫環境下，測試并計算金屬橡膠的抗剪強度、剪切變形、遲滯性能、剪切剛度等性能指標。試驗采用的夾具如圖2所示，將試件固定在剪切夾具的連接件上，由兩片對稱的夾具相互錯動完成加載。為保證試件變形在可回復變形范圍內，應變幅值分別為5%、10%、15%、20%，動力加載頻率為0.1、0.5、1.0、3.0 Hz。加載波形為正弦波，靜力加卸載10圈，動力加卸載20圈。

圖1 金屬橡膠試件受力方向

圖2 剪切試驗夾具示意圖

2 結果與分析

2.1 普通加工工藝試件剪切試驗

靜力剪切試驗:圖3為普通加工工藝試件OMR－A靜力剪切應力－應變遲滯特性曲線。由圖3可以看出，當應變幅值為15%時，最大剪應力僅為0.31 MPa。在金屬橡膠材料的壓縮試驗中［6］，相同幅值壓應力達到1.6 MPa，說明金屬橡膠在非受壓成型面方向的抗剪強度比較低;壓縮荷載作用下，應力－應變曲線呈現非線性，有明顯的應變硬化特征，而在剪切荷載作用時曲線近似于線性，每種不同幅值加載時曲線斜率近似相等，無應變硬化特征，應變幅值對剪切剛度影響不大。靜力剪切試驗時，各圈加卸載應力－應變曲線都表現出很好的重復性，這說明加載循環次數對應力－應變滯變性能幾乎沒有影響。

圖3 試件OMR－A靜力剪切試驗

動力剪切試驗:在分析動力荷載剪切試驗結果時，由于加載圈數較多，因此選取應變幅值為15%的3圈(第5、10、20周)遲滯回線繪在圖4中。由圖4可以看出，與靜力剪切試驗不同，動力試驗遲滯回線包絡面積隨著加載圈數的增加逐漸變小，說明普通加工工藝的金屬橡膠在動力加載條件下產生剪切變形時，減震性能退化，這對其作為隔震器材料承受水平地震荷載十分不利。為此，將金屬橡膠的編織成型工藝加以改進，增加成型方向的金屬絲數量，提高非受壓成型面抗剪強度，并將改進工藝后的試件再次進行剪切試驗。

圖4 試件OMR－A動力剪切試驗

2.2 改進加工工藝試件剪切試驗

2.2.1 加載頻率對遲滯特性的影響

由于靜力試驗機和動力試驗機的機械原理相同，只是兩者的傳感器有所差異，因此在后面的試驗中均采用Instron8801液壓伺服試驗機加載。為驗證加載頻率對試件的剪切性能是否產生影響，首先將改進工藝后的金屬橡膠試件OMR－B按不同頻率加載。圖5(a)、(b)、(c)、(d)分別為試件OMR－B在0.1、0.5、1.0、3.0 Hz的加載頻率下，應變幅值為5%、10%、15%、20%時的剪應力－剪應變遲滯回線。由圖5可見，在不同剪切頻率下，同一應變幅值的曲線基本重合。這表明，加載頻率對剪切性能影響可以忽略，即金屬橡膠的剪切耗能能力不因加載頻率的改變而變化，對試件OMR－C、OMR－D可按同一頻率進行試驗。由于遲滯干摩擦阻尼的存在，金屬橡膠試件在正弦波加載下恢復力可能出現正負力值不對稱的情況，這是由材料本身的性質決定的［7］。

2.2.2 加載方向及加載次數對遲滯特性的影響

為研究金屬橡膠非受壓成型面的剪切性能的差異，沿相互正交的方向分別進行剪切加卸載試驗。圖6(a)、(b)、(c)分別為OMR－B、OMR－C、OMR－D在頻率1.0 Hz、應變幅值10%的工況下，沿ox、oy方向剪應力－剪應變滯回曲線。由圖6可見，試件沿上述兩個方向加載時，曲線基本重合。這說明，金屬橡膠沿兩個相互垂直的非受壓成型面方向的遲滯性能基本相同。

圖7為試件OMR－B(0.23 g·mm－3)、OMR－C(0.25 g·mm－3)和OMR－D(0.27 g·mm－3)應變幅值20%、頻率1.0 Hz、加卸載10圈的剪切遲滯曲線。由圖7可以看出，與普通加工工藝金屬橡膠的動力遲滯曲線相比，改進工藝后金屬橡膠試件加卸載循環次數對其滯變性能基本無影響，并沒有出現耗能性能退化，各圈加卸載應力－應變曲線表現出良好的重復性。這表明，改進加工工藝后的金屬橡膠試件，剪切滯變耗能性能十分穩定，剪切強度也有所提高。

圖5 試件OMR－B不同頻率τ－γ遲滯回線

圖6 試件沿x、y方向τ－γ遲滯回線

圖7 試件加卸載10圈τ－γ遲滯回線

試驗結果還表明，金屬橡膠材料在剪切方向具有良好的彈性，當試件應變達到20%時依然沒有出現殘余變形，應力－應變曲線近似于線性，應變硬化特征不明顯。

2.2.3 加載幅值的影響

圖8(a)、(b)、(c)為試件OMR－B、OMR－C、OMR－D在不同應變幅值下的滯回曲線。在10圈循環加卸載滯回曲線中，選取具有代表性的一條進行分析。由圖8可見，隨著加載幅值的增加，曲線包絡的面積越來越大，表明金屬橡膠消耗的能量也隨之增加。這是因為振幅很小時，金屬絲沒有克服它們之間的摩擦力，不會發生滑移現象或者滑移的現象表現得不明顯。當加載幅值增大時，金屬絲間發生明顯的滑移，從而耗能能力增強［8］。

圖8 試件不同幅值τ－γ遲滯回線

根據加載曲線接近于線性這一特征，利用試驗得到的彈性遲滯回線可近似計算其等效剪切剛度，計算公式為:Ks=(Fs2－Fs1)/(a2－a1)。式中:a2、a1為一滯回曲線中最大水平正向位移和最大水平負向位移;Fs2、Fs1為一與a2、a1對應的剪力(見圖9)。

計算試件OMR－B、OMR－C、OMR－D在不同應變幅值下等效阻尼比數值，等效阻尼比根據公式ζ=WD(a0)/4πWs計算［1］。式中:WD(a0)為變形幅值為a0的遲滯回線單周包絡面積;Ws為結構最大彈性勢能，Ws=(1/2)KCa20;a0為變形幅值;KC為等效剪切剛度。

2.2.4 成型密度對遲滯特性的影響

表2列出3種不同成型密度試件的等效剪切剛度、等效阻尼比與應變幅值的關系。由表2可知，隨著金屬橡膠成型密度的增加，等效剪切剛度呈現增大趨勢。同一應變幅值等效阻尼比隨金屬橡膠成型密度的增加而增大。主要原因為材料成型密度越大，單位體積內金屬絲數目也越多，在相同的變形下，發生摩擦的金屬絲的數量也越多，絲之間的摩擦力就越大，剪切剛度必然增加。這表明，隨著金屬橡膠材料成型密度的增大，沿剪切方向耗能減震效果也越好。從表2中還可看出，剪切剛度值隨著剪切應變幅值的增大而呈現減小的趨勢，但變化量不大，即剪應變對側向剪切剛度影響較小。等效阻尼比隨著應變幅值的增大而減小。

圖9 不同成型密度試件壓縮τ－γ遲滯回線比較

表2 不同密度試件的等效剪切剛度和等效阻尼比與應變幅值的關系

2.2.5 剪切極限變形

為測試金屬橡膠的極限剪切變形能力，對試件進行大幅值剪切試驗，圖10(a)為OMR－B在應變幅值為30%、40%、50%、60%、70%的滯回曲線。從圖10(a)中可見，當應變幅值為70%時，金屬橡膠試件應變仍能完全恢復。當應變達到80%時(見圖10(b))，隨著圈數的增加，滯回曲線的包絡面積逐漸減小，開始出現應變退化現象，卸載后試件出現明顯的殘余變形，因此判斷試件的可回復變形限值約為80%。這說明，金屬橡膠材料在非受壓成型方向具有較強的抵抗剪切破壞能力，是開發隔震器的理想材料。

3 結論

改進成型加工工藝的金屬橡膠，在非受壓成型方向抗剪強度提高，具有穩定的滯變耗能性能。

金屬橡膠試件承受剪切荷載變形時，試件滯變耗能能力和阻尼性能隨成型密度、變形幅值增加而增大;加卸載循環次數、加載方向和加載頻率對金屬橡膠試件滯變特性均無影響。

金屬橡膠試件承受剪切荷載時，應力－應變曲線加載段近似于線性，無明顯應變硬化特征。剪切剛度和等效阻尼比隨著剪切應變幅值的增大而減小。

金屬橡膠試件剪切可回復變形限值約為80%，具有良好的彈性和較強的抵抗剪切破壞能力。

圖10 試件OMR－B大幅值剪切試驗

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