金属橡胶的阻尼及高温性能试验研究

刘　鹏，赵亚哥白，董　宇，陈禹晓圻(东北林业大学)

金属橡胶的阻尼及高温性能试验研究

刘鹏，赵亚哥白，董宇，陈禹晓圻
(东北林业大学)

摘要:金属橡胶是一种新型的材料，它由细金属丝卷成弹簧卷经过编织和冲击压缩制造而成，它的优点是耗能大、弹性好、不惧高低温作用、不易腐蚀变质等。为了将金属橡胶这种多孔弹性材料应用于建筑及桥梁，耗散地震和风载振动能量，采用不同加工工艺成型密度的金属橡胶试件，在不同应变幅值、高温等条件下进行力学性能试验，测试其在压缩、剪切变形下的耗能性能，同时分析材料的等效阻尼比参数变化规律，进而得出金属橡胶利用金属丝之间干摩擦形成的阻尼原理。为金属橡胶本构关系的推导提供基本参数和理论依据。

关键词:金属橡胶;耗能减震;性能试验;阻尼比

中图分类号:U416.1

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)06－0007－02

收稿日期:2014－09－12

基金项目:东北林业大学大学生创新创业训练计划项目。

金属橡胶(Metallic Rubber，MR)是一种由相互交错的空间网状结构的金属丝缠绕而成的弹性多孔材料。目前金属橡胶在工程机械、航天航空等领域被用作耗能隔震部位的材料，但是在土木工程领域很少作为耗能减震装置而使用，因此开发自复位能力的新型金属橡胶材料耗能减震装置是有一定的工程实际意义的。为了研发此类阻尼器，展开了金属橡胶材料试件的力学性能研究工作，首先加工了三种成型密度的0Cr18Ni9Ti的奥氏体不锈钢丝金属橡胶试件，然后进行压缩剪切力学试验，得到的力与位移的包络滞回曲线说明加载幅值、成型密度、高温等因素对试件阻尼耗能性能均有明显影响，根据影响规律研究分析了金属橡胶材料的阻尼耗能机理，为下一步设计材料本构关系、研制减震器提供重要依据。

1　金属橡胶的阻尼性能试验

1.1加工环节和力学试验仪器

本次试验用的金属橡胶试件是由哈尔滨工业大学负责加工制造的，基本流程是用特殊加工设备将细金属丝经缠绕为螺旋形状的弹簧卷，再将其编织成网状并用滚轮卷成毛坯，最后将此毛坯按照实验要求放入相应的模具中经过冲压，最终制作成试验元件。

本实验的地点是哈尔滨工程大学力学实验中心，试验设备为德国生产制造的电液压伺服疲劳试验机，型号是INSTRON Fast Track TM8801。试验机基本参数如表1。

表1　试验机基本参数

试验机可以将力传感器和位移传感器采集力和变形数据存储在电脑中以方便提取，采样频率可以人工控制。由于试验机本身不具备放置金属橡胶试件的装置，因此试验前先按照需求制备试件压缩和剪切夹具装置。

1.2金属橡胶材料的压缩与剪切性能试验

采用三种成型密度的试件，具体参数如表2中所示。

表2　金属橡胶试件参数

成型密度计算公式为

式中:ρs为试件密度;ρm为金属丝材料的密度。

首先进行压缩试验，分别对MRS－A、MRS－B和MRS－C施加静态循环压缩荷载，加载速率5 mm/min，分别以5%、10%、15%、20%的应变幅值对试件进行压缩，每种幅值循环加载5次。

图1　试件压缩应力－应变曲线

图1(a)、(b)、(c)分别为试件MRS－A、MRS－B和MRSC在不同幅值应变时的应力－应变曲线。由图中的包络曲线可以看出，试件的最大压应力随着应变幅值的增加也随之增大，滞回曲线也更加饱满，滞变耗能能力随着变形的增加而增大;图中还可看出，总共加载5圈的应力－应变曲线基本重合，试件能够承受多次的加卸载循环，这也说明此材料具有良好的耐疲劳性能。另外，试件加载应变值达到20%时卸载曲线依然又回到原始加载点，没有出现塑性应变，可回复变形较大，这一结果表明金属橡胶材料具有很好的弹性。综上所述试验表现出的特性说明，金属橡胶材料是用于制作土木结构减震阻尼器的理想材料。

接下来进行剪切试验，试验工况:试件情况同表1，对试件施加剪切荷载，与压缩试验相同，加载幅值分别为5%、10%、15%、20%，加载波形为正弦波，加卸载圈数仍为5圈。

图2(a)、(b)、(c)分别表示在不同应变幅值下三种密度试件MRS－A、MRS－B、MRS－C的剪切应力应变包络曲线。由图中可见，随着加载幅值的逐渐增大，加卸载曲线的包络面积即试件耗散的能量随之增加，此结果与之前压缩试验曲线的特性相似;同一幅值的加载刚度基本不变，幅值越大，刚度越低，主要原因是剪切变形越大，金属丝之间的间距越大，剪切方向的干摩擦力越小。

图2　三种剪切幅值下应力－应变曲线

2　金属橡胶阻尼比与耗能机理分析

为比较不同成型密度试件的阻尼性能，采用等效阻尼比作为参数，它根据公式(2)计算。

式中: WD(a0)为幅值为a0的滞回曲线包络面积; WS为弹性势能，WS=K; K为刚度，分别计算试件在不同应变幅值下等效阻尼比，如表3所示。

由表3中的等效阻尼比数据可以看出，取相同的应变值条件下，密度越大，等效阻尼比也越高。出现这种情况是因为试件内缠绕的不锈钢丝数量很多，这些钢丝之间相互干摩擦力越大，从而出现阻尼性能增加的现象。从表中还可以看出，压缩与剪切阻尼比数值均随着剪切应变的增加而减小。

表3　不同密度试件的等效阻尼比与应变幅值的关系

基于金属橡胶材料耗能器的刚度和阻尼特性与变形有关，当振幅不断改变时，耗能器会呈现不同的刚度和阻尼特性。根据前述试验结果，振幅较小时，金属丝之间相对滑动位移很小，阻尼性能也比较差。随着应变幅值的逐渐增大，金属橡胶元件中的不锈钢丝弹簧相互滑动接触并产生干摩擦。当振幅再继续增大时，金属丝间发生明显的滑移，从而耗能能力更加增强。试验结果中的迟滞回线也表明了金属橡胶的干摩擦阻尼特性，以上就是根据此次试验分析得出的金属橡胶材料的阻尼机理。

3　高温对金属橡胶阻尼性能的影响

利用疲劳试验机配置的高温箱进行高温试验环境模拟。取密度0.23试件MRS－A，环境温度分别为100℃、180℃，加载幅值分别为15%、20%，进行静力压缩试验。

图3为幅值为15%、20%高温压缩应力应变曲线。由图中可知，高温下滞回曲线的形状与常温时基本一致，试件的压应力随温度的升高而增大，主要是因为温度升高时，金属橡胶内部的不锈钢丝之间的干摩擦力越大，整体金属橡胶试件出现强度刚度均增大的现象。

图3　幅值为15%、20%高温压缩应力应变曲线

4　结论

针对不同成型密度不锈钢丝金属橡胶试件进行力学试验，分别研究了其压缩和剪切滞变耗能性能，测试了荷载幅值、高温等因素对金属橡胶试件力学性能和阻尼特性的影响规律。试验结果表明:加卸载循环次数对试件压缩应力－应变滞变性能没有显著影响，其耗能性能比较稳定。随着应变幅值的增加，金属橡胶材料的回复力越大，滞迟回线所包围的面积越大，振动能量消耗的越多，等效阻尼比也越大;随着温度的升高，金属橡胶耗能器的刚度增加，耗能能力也随之加强。通过试验可以发现，金属橡胶材料的刚度较低，下一步将研究如何提高金属橡胶耗能减震材料的刚度和阻尼性能，掺加有机材料复合处理，提高刚度，增加其滞回耗能能力。

参考文献:

［1］戈达耶夫，穆柳金，科尔特平编著，李中郢译.金属橡胶构件的设计［M］.北京:国防工业出版社，2000.

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