金屬橡膠的阻尼及高溫性能試驗研究

劉　鵬，趙亞哥白，董　宇，陳禹曉圻(東北林業大學)

金屬橡膠的阻尼及高溫性能試驗研究

劉鵬，趙亞哥白，董宇，陳禹曉圻
(東北林業大學)

摘要:金屬橡膠是一種新型的材料，它由細金屬絲卷成彈簧卷經過編織和沖擊壓縮制造而成，它的優點是耗能大、彈性好、不懼高低溫作用、不易腐蝕變質等。為了將金屬橡膠這種多孔彈性材料應用于建筑及橋梁，耗散地震和風載振動能量，采用不同加工工藝成型密度的金屬橡膠試件，在不同應變幅值、高溫等條件下進行力學性能試驗，測試其在壓縮、剪切變形下的耗能性能，同時分析材料的等效阻尼比參數變化規律，進而得出金屬橡膠利用金屬絲之間干摩擦形成的阻尼原理。為金屬橡膠本構關系的推導提供基本參數和理論依據。

關鍵詞:金屬橡膠;耗能減震;性能試驗;阻尼比

中圖分類號:U416.1

文獻標識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)06－0007－02

收稿日期:2014－09－12

基金項目:東北林業大學大學生創新創業訓練計劃項目。

金屬橡膠(Metallic Rubber，MR)是一種由相互交錯的空間網狀結構的金屬絲纏繞而成的彈性多孔材料。目前金屬橡膠在工程機械、航天航空等領域被用作耗能隔震部位的材料，但是在土木工程領域很少作為耗能減震裝置而使用，因此開發自復位能力的新型金屬橡膠材料耗能減震裝置是有一定的工程實際意義的。為了研發此類阻尼器，展開了金屬橡膠材料試件的力學性能研究工作，首先加工了三種成型密度的0Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲金屬橡膠試件，然后進行壓縮剪切力學試驗，得到的力與位移的包絡滯回曲線說明加載幅值、成型密度、高溫等因素對試件阻尼耗能性能均有明顯影響，根據影響規律研究分析了金屬橡膠材料的阻尼耗能機理，為下一步設計材料本構關系、研制減震器提供重要依據。

1　金屬橡膠的阻尼性能試驗

1.1加工環節和力學試驗儀器

本次試驗用的金屬橡膠試件是由哈爾濱工業大學負責加工制造的，基本流程是用特殊加工設備將細金屬絲經纏繞為螺旋形狀的彈簧卷，再將其編織成網狀并用滾輪卷成毛坯，最后將此毛坯按照實驗要求放入相應的模具中經過沖壓，最終制作成試驗元件。

本實驗的地點是哈爾濱工程大學力學實驗中心，試驗設備為德國生產制造的電液壓伺服疲勞試驗機，型號是INSTRON Fast Track TM8801。試驗機基本參數如表1。

表1　試驗機基本參數

試驗機可以將力傳感器和位移傳感器采集力和變形數據存儲在電腦中以方便提取，采樣頻率可以人工控制。由于試驗機本身不具備放置金屬橡膠試件的裝置，因此試驗前先按照需求制備試件壓縮和剪切夾具裝置。

1.2金屬橡膠材料的壓縮與剪切性能試驗

采用三種成型密度的試件，具體參數如表2中所示。

表2　金屬橡膠試件參數

成型密度計算公式為

式中:ρs為試件密度;ρm為金屬絲材料的密度。

首先進行壓縮試驗，分別對MRS－A、MRS－B和MRS－C施加靜態循環壓縮荷載，加載速率5 mm/min，分別以5%、10%、15%、20%的應變幅值對試件進行壓縮，每種幅值循環加載5次。

圖1　試件壓縮應力－應變曲線

圖1(a)、(b)、(c)分別為試件MRS－A、MRS－B和MRSC在不同幅值應變時的應力－應變曲線。由圖中的包絡曲線可以看出，試件的最大壓應力隨著應變幅值的增加也隨之增大，滯回曲線也更加飽滿，滯變耗能能力隨著變形的增加而增大;圖中還可看出，總共加載5圈的應力－應變曲線基本重合，試件能夠承受多次的加卸載循環，這也說明此材料具有良好的耐疲勞性能。另外，試件加載應變值達到20%時卸載曲線依然又回到原始加載點，沒有出現塑性應變，可回復變形較大，這一結果表明金屬橡膠材料具有很好的彈性。綜上所述試驗表現出的特性說明，金屬橡膠材料是用于制作土木結構減震阻尼器的理想材料。

接下來進行剪切試驗，試驗工況:試件情況同表1，對試件施加剪切荷載，與壓縮試驗相同，加載幅值分別為5%、10%、15%、20%，加載波形為正弦波，加卸載圈數仍為5圈。

圖2(a)、(b)、(c)分別表示在不同應變幅值下三種密度試件MRS－A、MRS－B、MRS－C的剪切應力應變包絡曲線。由圖中可見，隨著加載幅值的逐漸增大，加卸載曲線的包絡面積即試件耗散的能量隨之增加，此結果與之前壓縮試驗曲線的特性相似;同一幅值的加載剛度基本不變，幅值越大，剛度越低，主要原因是剪切變形越大，金屬絲之間的間距越大，剪切方向的干摩擦力越小。

圖2　三種剪切幅值下應力－應變曲線

2　金屬橡膠阻尼比與耗能機理分析

為比較不同成型密度試件的阻尼性能，采用等效阻尼比作為參數，它根據公式(2)計算。

式中: WD(a0)為幅值為a0的滯回曲線包絡面積; WS為彈性勢能，WS=K; K為剛度，分別計算試件在不同應變幅值下等效阻尼比，如表3所示。

由表3中的等效阻尼比數據可以看出，取相同的應變值條件下，密度越大，等效阻尼比也越高。出現這種情況是因為試件內纏繞的不銹鋼絲數量很多，這些鋼絲之間相互干摩擦力越大，從而出現阻尼性能增加的現象。從表中還可以看出，壓縮與剪切阻尼比數值均隨著剪切應變的增加而減小。

表3　不同密度試件的等效阻尼比與應變幅值的關系

基于金屬橡膠材料耗能器的剛度和阻尼特性與變形有關，當振幅不斷改變時，耗能器會呈現不同的剛度和阻尼特性。根據前述試驗結果，振幅較小時，金屬絲之間相對滑動位移很小，阻尼性能也比較差。隨著應變幅值的逐漸增大，金屬橡膠元件中的不銹鋼絲彈簧相互滑動接觸并產生干摩擦。當振幅再繼續增大時，金屬絲間發生明顯的滑移，從而耗能能力更加增強。試驗結果中的遲滯回線也表明了金屬橡膠的干摩擦阻尼特性，以上就是根據此次試驗分析得出的金屬橡膠材料的阻尼機理。

3　高溫對金屬橡膠阻尼性能的影響

利用疲勞試驗機配置的高溫箱進行高溫試驗環境模擬。取密度0.23試件MRS－A，環境溫度分別為100℃、180℃，加載幅值分別為15%、20%，進行靜力壓縮試驗。

圖3為幅值為15%、20%高溫壓縮應力應變曲線。由圖中可知，高溫下滯回曲線的形狀與常溫時基本一致，試件的壓應力隨溫度的升高而增大，主要是因為溫度升高時，金屬橡膠內部的不銹鋼絲之間的干摩擦力越大，整體金屬橡膠試件出現強度剛度均增大的現象。

圖3　幅值為15%、20%高溫壓縮應力應變曲線

4　結論

針對不同成型密度不銹鋼絲金屬橡膠試件進行力學試驗，分別研究了其壓縮和剪切滯變耗能性能，測試了荷載幅值、高溫等因素對金屬橡膠試件力學性能和阻尼特性的影響規律。試驗結果表明:加卸載循環次數對試件壓縮應力－應變滯變性能沒有顯著影響，其耗能性能比較穩定。隨著應變幅值的增加，金屬橡膠材料的回復力越大，滯遲回線所包圍的面積越大，振動能量消耗的越多，等效阻尼比也越大;隨著溫度的升高，金屬橡膠耗能器的剛度增加，耗能能力也隨之加強。通過試驗可以發現，金屬橡膠材料的剛度較低，下一步將研究如何提高金屬橡膠耗能減震材料的剛度和阻尼性能，摻加有機材料復合處理，提高剛度，增加其滯回耗能能力。

參考文獻:

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