洪 杰 朱 彬 馬艷紅 陳璐璐

（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191）

金屬橡膠顆粒靜態(tài)特性試驗(yàn)

洪 杰 朱 彬 馬艷紅 陳璐璐

（北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191）

針對(duì)目前航空航天領(lǐng)域板殼結(jié)構(gòu)較多，其模態(tài)成分密集、振動(dòng)復(fù)雜等問題，提出了一種可用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制的新型金屬橡膠構(gòu)件——金屬橡膠顆粒.為了解及掌握這種新型金屬橡膠構(gòu)件的性能和設(shè)計(jì)規(guī)律，開展了有關(guān)金屬橡膠顆粒的靜態(tài)性能試驗(yàn)研究.通過試驗(yàn)測(cè)量了金屬橡膠顆粒的靜態(tài)遲滯回線，獲得了金屬橡膠顆粒的剛度和阻尼的范圍.通過對(duì)比不同參數(shù)下的剛度和阻尼的試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)材料參數(shù)（絲材、螺旋卷和相對(duì)密度）和工藝參數(shù)（變形量和安裝密度）等對(duì)金屬橡膠顆粒的剛度特性和阻尼性能的影響規(guī)律.金屬橡膠顆粒靜態(tài)特性試驗(yàn)研究為金屬橡膠顆粒的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

金屬橡膠顆粒;靜態(tài)試驗(yàn);剛度特性;阻尼特性

板殼結(jié)構(gòu)由于其質(zhì)量輕、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)中被廣泛采用，但是其模態(tài)十分密集，振型復(fù)雜;高溫的工作環(huán)境，材料的性能下降，嚴(yán)重影響抗疲勞破壞能力不足.因此采用阻尼技術(shù)來削弱振動(dòng)應(yīng)力水平.金屬橡膠材料是將金屬絲卷成螺旋形，經(jīng)過編織，加壓成型的金屬材料.金屬橡膠的彈性恢復(fù)力和阻尼是依靠金屬絲之間的咬合、摩擦提供的［1］.金屬橡膠材料顯著的非線性干摩擦阻尼性能和在惡劣環(huán)境下保持良好性能的優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種很好的阻尼材料.金屬橡膠材料作為減振器件在軍事、航空航天、汽車等領(lǐng)域日益得到廣泛地重視［2－3］.

本文在保證金屬橡膠構(gòu)件阻尼特性的前提下，改進(jìn)加工工藝過程研制出質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)適用性更強(qiáng)的金屬橡膠構(gòu)件——金屬橡膠顆粒，其具有質(zhì)量輕、阻尼性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，在各種機(jī)械減振領(lǐng)域前景廣泛.為了解及掌握這種新型金屬橡膠構(gòu)件的性能和設(shè)計(jì)規(guī)律，本文開展了有關(guān)金屬橡膠顆粒的靜態(tài)性能試驗(yàn)研究.

1 金屬橡膠顆粒介紹

傳統(tǒng)的顆粒阻尼器是將一定的顆粒填充于結(jié)構(gòu)體中，結(jié)構(gòu)體受迫振動(dòng)時(shí)，顆粒受到?jīng)_擊將發(fā)生彈塑性變形和斷裂，同時(shí)，顆粒之間以及顆粒與器壁之間將產(chǎn)生碰撞和摩擦，從而消耗部分振動(dòng)能量，達(dá)到了減振的目的［4－5］.金屬橡膠顆粒阻尼結(jié)構(gòu)同樣也是一種填充式的結(jié)構(gòu)阻尼，將金屬螺旋卷分成小段后制成直徑為4～5mm左右的小球狀顆粒形態(tài)（見圖1），然后以小顆粒為基體，將其填充在需要減振的結(jié)構(gòu)中.金屬橡膠顆粒的加工只經(jīng)過選絲、繞絲、拉伸及編織四步驟，與傳統(tǒng)的金屬橡膠構(gòu)件相比缺少了模壓成型的步驟，結(jié)構(gòu)和工藝更為簡(jiǎn)單，相對(duì)密度也大大降低了.

圖1 金屬橡膠顆粒實(shí)物圖

與傳統(tǒng)的金屬橡膠構(gòu)件相似，金屬橡膠顆粒內(nèi)部同樣由許多相互接觸的金屬絲構(gòu)成，其阻尼機(jī)理不同于傳統(tǒng)的顆粒阻尼的顆粒的彈塑性變形、斷裂和碰撞，而是金屬橡膠內(nèi)部顆粒間相互接觸的金屬絲之間的滑動(dòng)摩擦耗能，與傳統(tǒng)的金屬橡膠構(gòu)件相似.因此金屬絲和螺旋卷自身的剛度以及金屬絲之間的摩擦力是影響其剛度和阻尼性能的關(guān)鍵參數(shù).參考傳統(tǒng)的金屬橡膠構(gòu)件，影響金屬橡膠顆粒性能的主要參數(shù)有金屬絲絲徑、螺旋徑、顆粒直徑、相對(duì)密度以及顆粒數(shù)目等.

2 靜態(tài)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案

金屬橡膠顆粒的研究，不同于以往的金屬橡膠構(gòu)件，它以金屬橡膠小顆粒為主體.對(duì)顆粒本身而言，它的質(zhì)量、密度、剛度、阻尼等都沒有基本的經(jīng)驗(yàn)知識(shí).所以對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，可以初步掌握其力學(xué)特性和不同參數(shù)的影響.

將金屬橡膠顆粒均勻鋪設(shè)在剛性容器底部，應(yīng)用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)遲滯特性試驗(yàn)，見圖2.為了使其性能穩(wěn)定，進(jìn)行6～12次循環(huán)后，根據(jù)穩(wěn)定后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制靜態(tài)遲滯回線圖.

2.2 試驗(yàn)件相關(guān)參數(shù)

圖2 靜態(tài)特性試驗(yàn)方案

金屬橡膠阻尼顆粒性能同樣由其制備工藝和材料參數(shù)所決定的.表1給出了不同金屬橡膠顆粒試驗(yàn)件的材料參數(shù)和工藝參數(shù).其中絲徑、螺旋卷和相對(duì)密度參數(shù)的含義和傳統(tǒng)金屬橡膠一致，平均質(zhì)量為容積內(nèi)平均每個(gè)小球的質(zhì)量，顆粒個(gè)數(shù)為試驗(yàn)容積內(nèi)顆粒小球的個(gè)數(shù).

表1 試驗(yàn)件材料的相關(guān)參數(shù)

3 相關(guān)參數(shù)影響規(guī)律

根據(jù)表1選取不同的試驗(yàn)件，分別試驗(yàn)分析不同參數(shù)對(duì)金屬橡膠顆粒剛度和損耗因子的影響.

3.1 變形量的影響

圖3和圖4分別所示試驗(yàn)件1受壓縮載荷時(shí)均載-位移曲線（均載表示一個(gè)顆粒小球受到的力）和損失因子隨變形量的變化曲線.

圖3 試驗(yàn)件1受壓縮載荷時(shí)均載-位移曲線

由圖3均載-位移曲線可知，金屬橡膠顆粒的剛度在小變形時(shí)近似為線性，隨著變形的增大，剛度呈現(xiàn)軟特性和硬特性的規(guī)律.這一特性與傳統(tǒng)模壓成型的金屬橡膠構(gòu)件較為相似.由圖4損耗因子變化曲線可知，隨著變形量的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子也隨之增加，然后趨于穩(wěn)定值，這是由于變形量的增加導(dǎo)致原來內(nèi)部顆粒間未接觸的金屬絲開始接觸，因此參與滑移摩擦的顆粒數(shù)逐漸增多.金屬橡膠顆粒損耗因子的變化過程和傳統(tǒng)的金屬橡膠相近，從數(shù)值來看，與傳統(tǒng)的金屬橡膠的阻尼性能相當(dāng).

圖4 試驗(yàn)件1的損失因子隨變形量的變化

3.2 安裝密度的影響

通過對(duì)比試驗(yàn)件3和試驗(yàn)件6的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，研究安裝密度（一定容積內(nèi)顆粒的個(gè)數(shù)）對(duì)金屬橡膠顆粒靜態(tài)性能的影響.

由圖5可知，金屬橡膠顆粒的剛度隨安裝密度的增加而增加.安裝密度大顆粒多，即同樣面積內(nèi)受載的顆粒小球多，因而剛度增大.由圖6可知，當(dāng)變形量較小時(shí)，安裝密度越大，金屬橡膠顆粒的損耗因子越小，其后數(shù)值相當(dāng).由于安裝密度大的顆粒之間的滑動(dòng)摩擦距離小，因而滑動(dòng)摩擦耗能小.

圖5 試驗(yàn)件3和6受壓縮載荷時(shí)均載-位移曲線

3.3 絲徑的影響

通過對(duì)比試驗(yàn)件3和試驗(yàn)件5的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，研究絲徑對(duì)金屬橡膠顆粒靜態(tài)性能的影響.

由圖7可知，金屬橡膠顆粒的剛度隨絲徑增加而減小.由參數(shù)表1可知，在安裝密度和相對(duì)密度相同時(shí)，絲徑增加導(dǎo)致顆粒小球的平均直徑增

圖6 試驗(yàn)件3和6的損失因子隨變形量的變化

加，相當(dāng)于減小了顆粒小球的彎曲剛度.由圖8可知，隨著絲徑的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子隨之減小.同樣平均直徑的增加，顆粒數(shù)目減小，顆粒間間隙增大，內(nèi)部參與滑移摩擦耗能的接觸金屬絲減少，因此損耗因子下降.

圖8 試驗(yàn)件3和5的損失因子隨變形量的變化

3.4 螺旋徑的影響

通過對(duì)比試驗(yàn)件1和試驗(yàn)件3的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，研究螺旋徑對(duì)金屬橡膠顆粒靜態(tài)性能的影響.

由圖9可知，隨著螺旋徑的增加，金屬橡膠顆粒的剛度稍微減小，因?yàn)槁菪龔降脑黾訉?dǎo)致單位面積內(nèi)顆粒數(shù)目減小，因而整體的剛度降低.由圖10可知，隨著螺旋徑的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子變化不大.因此顆粒數(shù)目的減小，平均直徑的增加對(duì)損耗因子的影響相互綜合.

圖9 試驗(yàn)件1和3受壓縮載荷時(shí)均載-變形曲線

圖10 試驗(yàn)件1和3的損失因子隨變形量的變化

3.5 相對(duì)密度的影響

通過對(duì)比試驗(yàn)件2和試驗(yàn)件3的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，研究相對(duì)密度對(duì)金屬橡膠顆粒靜態(tài)性能的影響.

由圖11、圖12可知，隨著相對(duì)密度的增加，金屬橡膠顆粒的剛度和損耗因子隨之增加，這是由于相對(duì)密度的增加單個(gè)顆粒的剛度增大，并相對(duì)密度增加顆粒數(shù)目減小，顆粒之間間隙減小，相對(duì)相互接觸耗能的金屬絲增多.

圖11 試驗(yàn)件2和3受壓縮載荷時(shí)載荷-變形曲線

圖12 試驗(yàn)件2和3的損失因子隨變形量的變化

3.6 絲材的影響

通過對(duì)比試驗(yàn)件3和試驗(yàn)件4的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，研究絲材對(duì)金屬橡膠顆粒靜態(tài)性能的影響.

圖13 試驗(yàn)件3和4受壓縮載荷時(shí)均載-變形曲線

由圖13可知，相同變形量下絲材為不銹鋼的剛度略高于GH4169.由于不銹鋼的彈性模量略大于GH4169.由圖14可知，相同變形量下不銹鋼材料的損耗因子低于GH4169.相同變形量下不銹鋼絲材的MR顆粒所受到的壓應(yīng)力大，發(fā)生滑動(dòng)摩擦的金屬絲對(duì)較少，阻尼則就較小.

圖14 試驗(yàn)件3和4的損失因子隨變形量的變化

4 結(jié)論

本文通過改進(jìn)金屬橡膠材料的加工工藝，把金屬絲螺旋卷加工成金屬顆粒小球，設(shè)計(jì)出新型的金屬橡膠顆粒阻尼構(gòu)件.通過對(duì)其工藝參數(shù)和材料參數(shù)的靜態(tài)遲滯試驗(yàn)分析，初步的了解了相關(guān)參數(shù)對(duì)金屬橡膠顆粒阻尼構(gòu)件的剛度和阻尼性能的影響規(guī)律，對(duì)金屬橡膠顆粒阻尼構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性研究奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ).

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Experiments on static characteristics of metal rubber particles

Hong Jie Zhu Bin Ma Yanhong Chen Lulu
（School of Jet Propulsion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

According to problems of the high mode density of natural frequencies of plane-shell structure and a broad spectrum of aerodynamic excitation forces，a new metal rubber（MR）component was designed by improving the processing technology of MR.It is called metal rubber particles（MRP）.The WDW3100 electronic universal testing equipment was used to obtain static characteristics of MRP damper experimentally.The average stiffness and loss factor of MRP was obtained by measured the static hysteresis loop.The material parameters and process parameters on the influence of stiffness and damping characteristics was obtained by experimental results.Through this study，it provids experimental basis for further research and engineering application of metal rubber particles damper.

metal rubber particles;static characteristics;nonlinear stiffness;hysteresis curve

V 257

A

1001-5965（2012）02-0218-04

2010-11-04;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2012-02-21 11:47;

CNKI:11-2625/V.20120221.1147.025

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1147.025.html

航空基金資助項(xiàng)目（2006ZC51）

洪 杰（1965－），男（回族），北京人，教授，hongjie@buaa.edu.cn.

（編 輯:張 嶸）