李 拓，白鴻柏，路純紅

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

0 引 言

20世紀(jì)60年代，為解決空間飛行器的減振、過濾、密封等問題，前蘇聯(lián)薩馬拉國際航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)并研制了一種彈性阻尼材料——金屬橡膠，其以金屬絲為原料，經(jīng)過制備螺旋卷并對其進(jìn)行定螺距拉伸、卷纏（或鋪設(shè)）、沖壓成型、后期處理等工藝制成［1］。金屬橡膠具有高彈性、大阻尼以及金屬的物理力學(xué)性能，已成為特殊環(huán)境下橡膠的替代品，在工程機(jī)械及航空航天等領(lǐng)域［2-7］得到了廣泛應(yīng)用。

精密設(shè)備、儀器要求隔振器具有較寬的隔振頻帶，因此超低頻隔振逐漸成為了研究熱點(diǎn)。為滿足超低頻隔振的要求，金屬橡膠構(gòu)件必須具備較低的剛度，而低剛度金屬橡膠構(gòu)件的密度往往較低。當(dāng)金屬橡膠構(gòu)件的密度低于1g·cm-3時(shí)，其在實(shí)際應(yīng)用方面存在一些不足，如：由于低剛度金屬橡膠構(gòu)件的成型壓力較小，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部螺旋卷之間的勾連程度較低，結(jié)構(gòu)松散，成型質(zhì)量較差；松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了低剛度金屬橡膠構(gòu)件結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性均較差，在使用過程中會產(chǎn)生較大的殘余變形，從而導(dǎo)致其使用壽命大大縮短。我國學(xué)者在金屬橡膠制備工藝方面進(jìn)行了大量嘗試［8-10］，在一定程度上提高了金屬橡膠構(gòu)件的性能，然而對低剛度金屬橡膠構(gòu)件制備的研究仍處于起步階段。

軍械工程學(xué)院金屬橡膠工程研究中心提出的編織-嵌槽型金屬橡膠的制備工藝，解決了低剛度金屬橡膠構(gòu)件成型質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性差、使用壽命短等問題。采用該方法制備的編織-嵌槽型金屬橡膠構(gòu)件的宏觀形貌如圖1所示，它具有兩個(gè)比較顯著的特點(diǎn)，即高承載能力和低剛度，這使得它除了具備普通金屬橡膠的優(yōu)點(diǎn)外，還具備了更佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更大的使用范圍，同時(shí)拓寬了隔振頻帶。

圖1 編織-嵌槽型金屬橡膠構(gòu)件的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of knitted-dapped metal rubber

為了解這種金屬橡膠的力學(xué)性能和阻尼性能，作者對其進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，研究了密度和厚度對其靜態(tài)剛度以及頻率、振幅、預(yù)壓載荷對其動態(tài)阻尼性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

首先將φ0.15mm的304不銹鋼金屬絲編織成金屬絲網(wǎng)，然后對其進(jìn)行整形和壓槽處理，再將處理后的金屬絲網(wǎng)進(jìn)行卷纏，使金屬絲網(wǎng)上的溝槽能夠完好地嵌合，最后進(jìn)行冷沖壓成型，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不同試樣的工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of different samples

編織-嵌槽型金屬橡膠試樣的力學(xué)性能受到金屬絲材料、直徑以及試樣密度、厚度、溝槽深度和寬度、織網(wǎng)方式等因素的影響。由于編織-嵌槽型金屬橡膠為多孔材料且其在隔振過程中的受力方向主要為其成型方向，因此可以初步判斷，工藝參數(shù)中的密度和厚度對其力學(xué)性能的影響較大。

1.2 試驗(yàn)方法

用WDW-T200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，位移分辨率為0.001mm，最大試驗(yàn)力為200kN；采用力控制方式，加載速率為15N·s-1，力目標(biāo)值為700N，加載結(jié)束后保持2min，再以15N·s-1的速率卸載。試驗(yàn)前，需要對試樣進(jìn)行多次加、卸載，以保證其力學(xué)性能的穩(wěn)定。

動態(tài)力學(xué)試驗(yàn)采用的試驗(yàn)系統(tǒng)由PLS-20型電液伺服試驗(yàn)機(jī)和DH5936振動測試系統(tǒng)組成，該試驗(yàn)系統(tǒng)可對試驗(yàn)對象施加精確的正弦位移激勵；采用位移控制方式，對試樣2進(jìn)行正弦位移激勵，分別改變激勵的頻率、振幅以及振動前的預(yù)壓載荷等參數(shù)，考察這三者對試樣動態(tài)阻尼性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 密度對靜態(tài)剛度的影響

由圖2可知，隨著密度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的載荷-變形曲線逐漸向左偏移，即在變形量相同時(shí)，試樣的密度越大，其靜態(tài)剛度越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，金屬橡膠構(gòu)件在承受壓縮載荷時(shí)，其內(nèi)部金屬絲的接觸形成過程往往開始于構(gòu)件的最小密度區(qū)，且隨著壓縮載荷的增大擴(kuò)展至大密度區(qū)［1］。而對于編織-嵌槽型金屬橡膠而言，其外部螺旋結(jié)構(gòu)之間以及螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的金屬絲網(wǎng)之間均存在空隙，這些存在空隙的部分即為構(gòu)件的小密度區(qū)，因此在壓縮初期，試樣的變形主要體現(xiàn)為外部螺距的減小以及螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬絲網(wǎng)間空隙的減小。對于相同厚度的試樣，試樣的密度越大，意味著其螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)包含的金屬絲網(wǎng)層數(shù)越多，因此其在壓縮初期發(fā)生變形需要的載荷就越大。另外，在試樣內(nèi)部金屬絲網(wǎng)完全接觸后，試樣的密度越大，產(chǎn)生相同變形量時(shí)其內(nèi)部金屬絲網(wǎng)的變形程度就越大，試樣內(nèi)部的載荷就越大。

圖2 相同厚度、不同密度試樣的載荷-變形曲線Fig.2 Load-deformation curves of the samples with same thickness and different densities

2.2 厚度對靜態(tài)剛度的影響

由圖3可知，當(dāng)變形量在6mm以內(nèi)時(shí)，不同厚度試樣的變形情況基本相同；此后隨著變形量的增大，靜態(tài)剛度均呈增大的趨勢；試樣的厚度越大，其進(jìn)入剛度硬化階段時(shí)對應(yīng)的變形量就越大；進(jìn)入硬化階段后，試樣的厚度越大，其靜態(tài)剛度的增速越緩。這主要是由于密度相同時(shí)，試樣的厚度越大，其成型方向上金屬絲網(wǎng)的層數(shù)就越多，試樣內(nèi)部金屬絲網(wǎng)間的空隙也就越多，試樣內(nèi)部金屬絲網(wǎng)發(fā)生完全接觸時(shí)的變形量就越大；進(jìn)入硬化階段后，在增加相同變形量的條件下，與厚度小的試樣相比，大厚度試樣內(nèi)部金屬絲網(wǎng)的平均變形量小，其內(nèi)部載荷也較小。

圖3 相同密度、不同厚度試樣的載荷-變形曲線Fig.3 Load-deformation curves of the samples with same density and different thicknesses

2.3 振動條件對動態(tài)力學(xué)性能的影響

根據(jù)試樣2在振動頻率不同的正弦激勵下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制滯遲回線，如圖4所示?？梢?，在不同的振動頻率下，試樣的滯遲回線基本重合。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度和阻尼耗能受頻率的影響較小，性能較為穩(wěn)定。

圖4 試樣2在不同振動頻率下的滯遲回線Fig.4 Hysteretic curves of sample 2under excitation with different frequencies and the amplitude of 1mm

根據(jù)試樣2在振幅不同的正弦激勵下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制滯遲回線，如圖5所示?？梢?，隨著振幅的增大，滯遲回線逐漸向右傾斜（動態(tài)剛度依次為113，88，74kN·m-1），且包圍的面積（表示一個(gè)振動周期內(nèi)損耗的能量，依次為0.007，0.021，0.058J）逐漸增大。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度隨振幅的增大而減小，呈漸軟特性，阻尼耗能隨振幅的增大而增大。這主要是由于振幅較小時(shí)，試樣內(nèi)部金屬絲之間不發(fā)生相對滑動或者相對滑動現(xiàn)象不明顯；隨著振幅的增大，金屬絲之間相對滑動的位移逐漸增大，同時(shí)振幅增大也導(dǎo)致了試樣變形程度增大，使振動過程中金屬絲之間的摩擦力增大，因此振動過程中損耗的能量也增多。

根據(jù)試樣2在預(yù)壓載荷不同時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制滯遲回線，如圖6所示。可見，隨著預(yù)壓載荷增大，滯遲回線逐漸向左傾斜（動態(tài)剛度依次為35.27，157.42，269.87kN·m-1），且包圍的面積（一個(gè)振動周期內(nèi)損耗的 能量，依次 為 0.061，0.171，0.249J）逐漸增大。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度和阻尼耗能均隨著預(yù)壓載荷的增大而增大。這是因?yàn)轭A(yù)壓載荷越大，試樣的預(yù)壓變形量就越大，試樣在振動過程中的變形量也就越大。因此在位移相同的情況下，預(yù)壓載荷越大，振動過程中動態(tài)剛度的變化也就越劇烈，試樣內(nèi)部金屬絲之間的摩擦力越大，損耗的能量也就越多。

圖6 試樣2在不同預(yù)壓載荷下的滯遲回線Fig.6 Hysteretic curves of sample 2under different pre-loads with the amplitude of 1.5mm and the frequency of 3Hz

3 結(jié) 論

（1）厚度相同時(shí)，隨著密度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的靜態(tài)剛度有增大的趨勢。

（2）密度相同時(shí)，隨著厚度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠進(jìn)入硬化階段對應(yīng)的變形量越大，且靜態(tài)剛度在硬化階段的增速減緩。

（3）編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度及阻尼耗能基本不隨頻率的變化而發(fā)生改變。

（4）隨著振幅的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度減小，呈漸軟特性，阻尼耗能逐漸增多。

（5）隨著預(yù)壓載荷的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的動態(tài)剛度和阻尼耗能均逐漸增多。

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