贮存条件下橡胶隔振器动力学性能变化研究

吴连军

(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621900)

橡胶、泡沫等高分子材料在贮存、使用过程中会发生应力松弛、老化等现象，使结构的动力学性能发生变化，因此需要对橡胶隔振器在贮存过程中动力学性能的变化规律进行研究［1－5］。

本文从试验和有限元计算两个方面对贮存过程中橡胶隔振器的动力学性能变化情况进行研究。首先通过贮存前后的正弦扫描试验获得采用隔振器进行连接的试件上的加速度响应，然后通过有限元计算模拟试验得到不同试验状态下隔振器单元的弹性模量和结构的模态阻尼比。通过对试验和计算结果进行比较分析，获得隔振器在贮存过程中动力学性能的变化规律。

1 试验

试验模型如图1所示。试验分为贮存前和贮存1年后正弦扫描试验。共采用5个试验结构，其隔振器橡胶的预压量分别为 0、0.2、0.5、0.7、1.0 mm。

图1 试验模型

通过对模型进行初步分析，结构1阶模态(由隔振器变形引起的试件轴向振动)固有频率为100 Hz左右，而底板和试件模态固有频率高于900 Hz。在500 Hz以下对试件进行正弦扫描试验时，底板和试件的变形很小，可以看作刚性结构。因此将试验的扫描频率范围定为20～500 Hz。

贮存前的试验振动量级为0.5 g(g=9.8 m/s2，下同)，线性扫描速率为1 Hz/s，振动台增益为10%，电荷放大器为1 000 mv/g。试验采用四点平均的方法进行控制。试验时底板与振动台间的连接螺钉拧紧力矩为20 N·m。

5个试验结构在贮存前试验完成后，整体从振动台上拆卸下来，在实验室自然状态下贮存1年，然后进行贮存后试验。试验量级、状态均与贮存前试验相同。

由于试件及振动台面的水平度不高，4个测点的加速度响应有所不同。为更清楚地查看响应的变化情况，对4个测点的加速度响应进行了平均，平均后的幅值谱见图2～6。

试验结果表明:在20～500 Hz之间，试件上测点的响应谱只有1个峰，这与初步的分析结果一致;贮存后，试件上的加速度响应峰值有所增大，其对应的频率在预压较小时升高，在预压较大时有所降低。

图2 预压为0 mm

图3 预压为0.2 mm

图4 预压为0.5 mm

图5 预压为0.7 mm

图6 预压为1.0 mm

2 计算

有限元模型如图7所示。采用有限元分析软件进行分析，底板与试件单元类型为solid45，隔振器单元类型为beam4。

图7 有限元模型

在计算时，以试验得到的响应谱为前提，通过调整隔振器单元的弹性模量和结构的1阶固有频率的模态阻尼比使计算获得的响应结果与试验相同。经过不断反馈得到贮存前后各个试验状态下的隔振器单元的弹性模量和结构的1阶模态的模态阻尼比，分别如表1、2所示。

表1 不同状态下结构隔振器单元的弹性模量

表2 不同状态下结构隔振器单元的模态阻尼比

从计算结果来看:贮存1年后的模态阻尼比下降明显，表明橡胶隔振器中橡胶的阻尼性能有所下降;在预压量为 0、0.2、0.5 mm 时橡胶隔振器的弹性模量升高，刚度升高;在预压量为0.7、1.0 mm时橡胶隔振器的弹性模量降低，刚度降低。

通常情况下，老化现象会导致橡胶材料变硬，刚度升高，阻尼性能下降。而在受到预压时，橡胶材料的刚度因应力松弛现象而下降。从上面的计算结果来看:在预压量为 0、0.2、0.5 mm 时，隔振器橡胶材料的老化引起的刚度增加量高于应力松弛引起的刚度降低量;而在预压量为0.7、1.0 mm时，隔振器橡胶材料的老化引起的刚度增加量小于应力松弛引起的刚度降低量。

3 结束语

本文从试验和计算2个方面对橡胶隔振器的动力学性能进行了研究。结果表明:贮存1年后，由于老化作用的影响，橡胶隔振器阻尼性能下降，引起试件上响应增加;贮存1年后，在预压较小的情况下，隔振器橡胶材料的老化引起的刚度增加量高于应力松弛引起的刚度降低量，隔振器的动刚度增加;贮存1年后，在预压较高的情况下，隔振器橡胶材料的老化引起的刚度增加量小于应力松弛引起的刚度降低量，隔振器的动刚度降低。

［1］化学工业部合成材料研究.高分子材料老化与防老化［M］.北京:化学工业出版社，1979.

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［4］李胜波.圆锥滑动轴承－转子系统中金属橡胶阻尼器力学性能研究［J］.功能材料，2011(1):167－170.

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