编织-嵌槽型金属橡胶的力学性能和阻尼性能

李 拓，白鸿柏，路纯红

（军械工程学院，石家庄050003）

0 引 言

20世纪60年代，为解决空间飞行器的减振、过滤、密封等问题，前苏联萨马拉国际航空航天大学设计并研制了一种弹性阻尼材料——金属橡胶，其以金属丝为原料，经过制备螺旋卷并对其进行定螺距拉伸、卷缠（或铺设）、冲压成型、后期处理等工艺制成［1］。金属橡胶具有高弹性、大阻尼以及金属的物理力学性能，已成为特殊环境下橡胶的替代品，在工程机械及航空航天等领域［2-7］得到了广泛应用。

精密设备、仪器要求隔振器具有较宽的隔振频带，因此超低频隔振逐渐成为了研究热点。为满足超低频隔振的要求，金属橡胶构件必须具备较低的刚度，而低刚度金属橡胶构件的密度往往较低。当金属橡胶构件的密度低于1g·cm-3时，其在实际应用方面存在一些不足，如：由于低刚度金属橡胶构件的成型压力较小，导致构件内部螺旋卷之间的勾连程度较低，结构松散，成型质量较差；松散的内部结构决定了低刚度金属橡胶构件结构和性能的稳定性均较差，在使用过程中会产生较大的残余变形，从而导致其使用寿命大大缩短。我国学者在金属橡胶制备工艺方面进行了大量尝试［8-10］，在一定程度上提高了金属橡胶构件的性能，然而对低刚度金属橡胶构件制备的研究仍处于起步阶段。

军械工程学院金属橡胶工程研究中心提出的编织-嵌槽型金属橡胶的制备工艺，解决了低刚度金属橡胶构件成型质量差、结构和性能稳定性差、使用寿命短等问题。采用该方法制备的编织-嵌槽型金属橡胶构件的宏观形貌如图1所示，它具有两个比较显著的特点，即高承载能力和低刚度，这使得它除了具备普通金属橡胶的优点外，还具备了更佳的结构稳定性和更大的使用范围，同时拓宽了隔振频带。

图1 编织-嵌槽型金属橡胶构件的宏观形貌Fig.1 Macrograph of knitted-dapped metal rubber

为了解这种金属橡胶的力学性能和阻尼性能，作者对其进行了静态和动态力学试验，研究了密度和厚度对其静态刚度以及频率、振幅、预压载荷对其动态阻尼性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

首先将φ0.15mm的304不锈钢金属丝编织成金属丝网，然后对其进行整形和压槽处理，再将处理后的金属丝网进行卷缠，使金属丝网上的沟槽能够完好地嵌合，最后进行冷冲压成型，工艺参数如表1所示。

表1 不同试样的工艺参数Tab.1 Process parameters of different samples

编织-嵌槽型金属橡胶试样的力学性能受到金属丝材料、直径以及试样密度、厚度、沟槽深度和宽度、织网方式等因素的影响。由于编织-嵌槽型金属橡胶为多孔材料且其在隔振过程中的受力方向主要为其成型方向，因此可以初步判断，工艺参数中的密度和厚度对其力学性能的影响较大。

1.2 试验方法

用WDW-T200型电子万能试验机进行静态力学试验，位移分辨率为0.001mm，最大试验力为200kN；采用力控制方式，加载速率为15N·s-1，力目标值为700N，加载结束后保持2min，再以15N·s-1的速率卸载。试验前，需要对试样进行多次加、卸载，以保证其力学性能的稳定。

动态力学试验采用的试验系统由PLS-20型电液伺服试验机和DH5936振动测试系统组成，该试验系统可对试验对象施加精确的正弦位移激励；采用位移控制方式，对试样2进行正弦位移激励，分别改变激励的频率、振幅以及振动前的预压载荷等参数，考察这三者对试样动态阻尼性能的影响。

2 试验结果与讨论

2.1 密度对静态刚度的影响

由图2可知，随着密度的增大，编织-嵌槽型金属橡胶的载荷-变形曲线逐渐向左偏移，即在变形量相同时，试样的密度越大，其静态刚度越大。产生这种现象的原因是，金属橡胶构件在承受压缩载荷时，其内部金属丝的接触形成过程往往开始于构件的最小密度区，且随着压缩载荷的增大扩展至大密度区［1］。而对于编织-嵌槽型金属橡胶而言，其外部螺旋结构之间以及螺旋结构内部的金属丝网之间均存在空隙，这些存在空隙的部分即为构件的小密度区，因此在压缩初期，试样的变形主要体现为外部螺距的减小以及螺旋结构内部金属丝网间空隙的减小。对于相同厚度的试样，试样的密度越大，意味着其螺旋结构内包含的金属丝网层数越多，因此其在压缩初期发生变形需要的载荷就越大。另外，在试样内部金属丝网完全接触后，试样的密度越大，产生相同变形量时其内部金属丝网的变形程度就越大，试样内部的载荷就越大。

图2 相同厚度、不同密度试样的载荷-变形曲线Fig.2 Load-deformation curves of the samples with same thickness and different densities

2.2 厚度对静态刚度的影响

由图3可知，当变形量在6mm以内时，不同厚度试样的变形情况基本相同；此后随着变形量的增大，静态刚度均呈增大的趋势；试样的厚度越大，其进入刚度硬化阶段时对应的变形量就越大；进入硬化阶段后，试样的厚度越大，其静态刚度的增速越缓。这主要是由于密度相同时，试样的厚度越大，其成型方向上金属丝网的层数就越多，试样内部金属丝网间的空隙也就越多，试样内部金属丝网发生完全接触时的变形量就越大；进入硬化阶段后，在增加相同变形量的条件下，与厚度小的试样相比，大厚度试样内部金属丝网的平均变形量小，其内部载荷也较小。

图3 相同密度、不同厚度试样的载荷-变形曲线Fig.3 Load-deformation curves of the samples with same density and different thicknesses

2.3 振动条件对动态力学性能的影响

根据试样2在振动频率不同的正弦激励下的试验数据绘制滞迟回线，如图4所示。可见，在不同的振动频率下，试样的滞迟回线基本重合。这说明编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度和阻尼耗能受频率的影响较小，性能较为稳定。

图4 试样2在不同振动频率下的滞迟回线Fig.4 Hysteretic curves of sample 2under excitation with different frequencies and the amplitude of 1mm

根据试样2在振幅不同的正弦激励下的试验数据绘制滞迟回线，如图5所示。可见，随着振幅的增大，滞迟回线逐渐向右倾斜（动态刚度依次为113，88，74kN·m-1），且包围的面积（表示一个振动周期内损耗的能量，依次为0.007，0.021，0.058J）逐渐增大。这说明编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度随振幅的增大而减小，呈渐软特性，阻尼耗能随振幅的增大而增大。这主要是由于振幅较小时，试样内部金属丝之间不发生相对滑动或者相对滑动现象不明显；随着振幅的增大，金属丝之间相对滑动的位移逐渐增大，同时振幅增大也导致了试样变形程度增大，使振动过程中金属丝之间的摩擦力增大，因此振动过程中损耗的能量也增多。

根据试样2在预压载荷不同时的试验数据绘制滞迟回线，如图6所示。可见，随着预压载荷增大，滞迟回线逐渐向左倾斜（动态刚度依次为35.27，157.42，269.87kN·m-1），且包围的面积（一个振动周期内损耗的 能量，依次 为 0.061，0.171，0.249J）逐渐增大。这说明编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度和阻尼耗能均随着预压载荷的增大而增大。这是因为预压载荷越大，试样的预压变形量就越大，试样在振动过程中的变形量也就越大。因此在位移相同的情况下，预压载荷越大，振动过程中动态刚度的变化也就越剧烈，试样内部金属丝之间的摩擦力越大，损耗的能量也就越多。

图6 试样2在不同预压载荷下的滞迟回线Fig.6 Hysteretic curves of sample 2under different pre-loads with the amplitude of 1.5mm and the frequency of 3Hz

3 结 论

（1）厚度相同时，随着密度的增大，编织-嵌槽型金属橡胶的静态刚度有增大的趋势。

（2）密度相同时，随着厚度的增大，编织-嵌槽型金属橡胶进入硬化阶段对应的变形量越大，且静态刚度在硬化阶段的增速减缓。

（3）编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度及阻尼耗能基本不随频率的变化而发生改变。

（4）随着振幅的增大，编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度减小，呈渐软特性，阻尼耗能逐渐增多。

（5）随着预压载荷的增大，编织-嵌槽型金属橡胶的动态刚度和阻尼耗能均逐渐增多。

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