金属丝网与金属橡胶材料的压缩特性对比研究

董万元，杨 利，师永宁

（中国飞机强度研究所 航空噪声与振动强度航空科技重点实验室，西安710065）

金属丝网垫和金属橡胶垫都属于多孔弹性金属构件，是将金属材料拉伸成金属丝，然后把金属丝按照一定规则缠绕到轴上并填充于模腔，经模具冷冲压成型。其内部金属丝之间相互挤压、勾连、缠绕、层叠在一起，当受到振动冲击载荷时，金属丝之间相对滑移产生干摩擦力，从而耗散振动能量，起到减振、缓冲的作用[1]。多孔弹性金属材料不仅具有普通橡胶材料的减振能力，由于其自身结构是金属材料，承载能力强且能够适应更加恶劣的环境。它由金属丝材料制成，加工方便、成本较低，可以制备成多种形状，因而在航空、航天、船舶等设备的密封、过滤、发动机安装以及其他隔振缓冲领域得到广泛的应用[2]。国内外学者都对多孔弹簧金属材料进行了大量的研究，俄罗斯萨玛拉国立航空航天大学的学者们对金属橡胶材料进行了物理模型和加工工艺的研究[1]，美国通用电气全球研究中心的Bugra H.Ertas等对由金属丝网材料组成的混合柔性轴承的力学特性和无油金属丝网阻尼器的非线性动力学特征进行了研究[2-4]，英国谢菲尔德大学的S.A.Billings 等对金属橡胶材料的本构模型进行了研究[5]。我国对多孔弹性金属材料的研究起步较晚，从上世纪90年代开始才得到关注。哈尔滨工业大学的李中郢[6]等研究了不同密度金属橡胶垫组合的刚度特性，哈尔滨工程大学的邹广平[7-10]等研究了金属丝网材料的动、静态力学性能及其本构关系，西安工业大学的李宇燕[11]等研究了金属橡胶材料的承载面积与本构模型的关系，军械工程学院的白鸿柏[12]等研究了金属橡胶材料的疲劳损伤特性，华北电力大学的陈宏霞[13]等研究了超润性金属丝网材料的制备工艺。但是当前学者并未对金属丝网材料和金属橡胶材料进行严格的区分，其实这两种材料存在很大的差异，无论是加工工艺还是细观特征都有很多不同之处，笔者查阅国内外文献对于金属丝网和金属橡胶材料力学性能差异性的研究鲜有报道。

鉴于此，本文从加工工艺出发分析金属丝网垫和金属橡胶垫的细观特征存在的区别；并对不同密度的金属丝网垫和金属橡胶垫进行静态压缩试验，研究2 种材料的静态压缩力学特性、承载能力以及能量耗散特性；最后从细观上分析这2 种材料在压缩力学性能、承载能力和能量耗散特性方面产生差异的原因，从而为这两种材料在减振降噪领域的应用提供试验依据与理论基础。

1 金属丝网垫与金属橡胶垫对比分析

金属丝网垫和金属橡胶垫材料都属于弹性多孔结构材料，但是从制备工艺及结构细观特征上来说仍然有很多不同之处值得深入探讨。从制备工艺分析，金属丝网垫由网状金属丝压制而成，而金属橡胶垫则由螺旋弹簧状金属丝压制而成，金属丝网材料和螺旋弹簧状金属丝材料见图1。

图1 金属丝材料

金属丝网垫由金属丝按照一定规则编织成圆筒形网套，再将此网套缠绕到轴上并填充于模腔，经模具冷冲压成型；而金属橡胶垫是由金属丝按照一定中径绕制成节距为金属丝直径的螺旋弹簧状金属丝，然后将此螺旋弹簧状金属丝拉伸至等节距状态，再将拉伸过的螺旋弹簧状金属丝按照特定规则均匀地缠绕到轴上并填充于模腔，经模具冷冲压成型。

图2 金属丝网垫和金属橡胶垫对比图

从结构细观特征分析，虽然它们都是具有多孔结构特征的弹性金属构件，图2即为相同密度的金属丝网垫和金属橡胶垫的轴向和径向结构对比图，很显然其细观特征有很大的区别。金属丝网垫的金属丝之间交叉铺成网状，由网状层堆叠成型；而金属橡胶垫的丝与丝之间相互勾连，组织错综交叉、咬合，形成三维网状结构，因此金属橡胶减振垫的轴向和径向都较均匀地串连成一体，具有高分子材料的特性，因而命名金属橡胶。

从轴向面看，金属丝网垫的金属丝之间相互缠绕成一连串∞型沿环向分布；而金属橡胶垫的金属丝之间相互缠绕成短钢丝绳状，再沿径向延伸，并成辐射状分布，相邻之间还伴随有狭小的沟缝。从径向面看，金属丝网垫的多数金属丝成横向S型线，沿环向层叠分布；而金属橡胶垫的金属丝之间折弯成小圆头，无序排列分布。

2 试验

2.1 试验样件

本研究以空心圆柱形金属丝网垫和金属橡胶垫作为试验件，对其进行静态压缩试验，金属丝网垫和金属橡胶垫结构如见图3。金属丝网垫是由丝径为0.2 mm的金属丝编织成直径为30 mm的网筒，经模具冷压成空心圆柱形；金属橡胶垫是由丝径为0.2 mm 的金属丝绕制成中径为1.5 mm 的螺旋弹簧丝，经模具冷压成空心圆柱形。试验件加工时采用相同的成型压力，金属丝材料均为不锈钢06Cr19Ni10，试验所用的试验件参数见表1。

2.2 实验方法

按照压缩实验的方法对两类试验件进行静力压缩试验，试验实施方法见图4。将试验件置于限位套和限位轴内，经螺纹连接配合后对试验件产生0.2 mm的装配压缩量，然后置于压缩试验机支撑台上，对活塞压头施加载荷即可。对试验件在多个载荷量级下进行压缩试验，试验加载速率为4 mm/min，试验时先施加约0.5 N 的预压量。由于金属丝网垫或金属橡胶垫在成型后会产生一定量的残余应力，为降低材料内部的残余应力对测量曲线重复性的影响，在对每个试验件进行静态压缩试验前先进行5次的最大变形量预压，再测定其准静态载荷-位移曲线[10]。实验环境为室温大气，温度（25±2）°C、湿度（25%～40%）RH。

图3 试验件截面示意图

图4 压缩试验示意图

3 试验结果及分析

3.1 密度的影响

图5为3 种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在0.2 mm 压缩量时的载荷-位移曲线，图6为3 种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在1.2 mm 压缩量时的载荷-位移曲线。从图中可知，对于这两种材料，其密度越大，在产生相同变形量时所需施加的载荷就越大，因此刚性也越大。

从图5可以看出，密度越小，软特性持续的时间越短，因而更快地进入近似线性阶段，刚度由大急剧变小，反之亦然。从图6可以看出，密度越大，近似线性段持续的时间越短，刚度由小急剧变大，因而更早地进入硬特性阶段，反之亦然。

3.2 压缩量的影响

图5 3种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在0.2 mm压缩变形时的载荷-位移曲线

表1 试验件参数

图7为3 种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在不同压缩量级条件下测得的载荷-位移对比曲线。从图中可以看出，金属橡胶垫和金属丝网垫的载荷-位移曲线具有相同的特征：(1)其载荷-位移关系均为曲线，说明这两种材料都具有刚度非线性特性；(2)曲线大致可以分为3个阶段，小变形时都表现为软特性，然后随着变形量的增加逐渐过渡到近似线性阶段，最后随着变形量的继续增加则表现为硬特性。由于金属橡胶垫和金属丝网垫都属于弹性多孔材料，其力学性能表现为金属丝的弹性力和丝与丝之间的接触摩擦力，因此其载荷-位移关系曲线具有相同的变化趋势。但是金属橡胶垫和金属丝网垫亦有不同的特点：对于同尺寸同密度的金属橡胶垫和金属丝网垫，在产生相同变形量时金属橡胶垫所需施加的载荷大于金属丝网垫所需施加的载荷，由此可知金属橡胶垫的承载能力大于金属丝网垫的承载能力。这主要是由于金属橡胶垫与金属丝网垫的细观特征存在较大的差异引起的，金属橡胶垫的丝与丝之间相互勾连，组织错综交叉、咬合，形成三维网状结构，而金属丝网垫的金属丝之间交叉铺成网状，由网状层堆叠成型，因此金属橡胶垫的金属丝的弹性和摩擦性能高于金属丝网垫的金属丝的弹性和摩擦性能，由此可知金属橡胶垫的金属丝能效的利用率比金属丝网垫的金属丝能效的利用率高。

4 金属丝网与金属橡胶材料的能量耗散特性

在静态压缩试验中，金属丝网垫和金属橡胶垫材料的载荷-位移曲线呈非线性变化，且加载曲线与卸载曲线并不重合，显然材料在加载过程中耗散了部分能量。因为金属丝网和金属橡胶材料属于干摩擦阻尼材料，在循环加载情况下，通过金属丝之间的干摩擦消耗能量，从而达到减振目的。在载荷幅值fmax下迟滞回线所围成的面积就是干摩擦阻尼损耗的能量。能量耗散系数Ψ是衡量材料阻尼减振性能的重要参数，能量耗散系数越大，材料的阻尼性能越好，反之就越差。能量耗散系数等于一个循环耗散的能量与最大变形势能的比值[1]，计算公式如下

式中：ΔW是一个循环损耗的能量，为迟滞回线所围成的面积；W是最大变形势能，为加载曲线与横轴所围成的面积。

4.1 压缩量对能量耗散系数的影响

图8为3 种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在一个循环载荷作用下测得的能量耗散系数与压缩变形量的关系对比曲线。从图中可以看出，对于这两类材料，小变形时能量耗散系数较小；随着变形量的增加，能量耗散系数随之增加；当变形量继续增加，则能量耗散系数又呈减小的趋势。这是因为在小变形时，主要表现为金属丝的弹性作用，金属丝之间的滑移摩擦较小，耗散的能量也小；当变形增加时，金属丝之间的滑移摩擦作用也增加，摩擦耗散的能量增加；当变形继续增加时，金属丝之间的间隙急剧减小，出现硬特性，即滑移摩擦耗散的能量达到极限，而又增加了金属丝之间的挤压弹性，从而耗散系数呈现降低的趋势。

图6 3种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在1.2 mm压缩变形时的载荷-位移曲线

图7 3种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫的载荷-位移关系对比曲线

对比相同密度的金属橡胶垫和金属丝网垫，从整体上看金属橡胶垫的能量耗散系数比金属丝网垫的能量耗散系数大，说明金属橡胶垫的阻尼减振性能优于金属丝网垫的阻尼减振性能。这是由于金属橡胶垫的丝与丝之间相互勾连，组织错综交叉、咬合，形成三维网状结构，金属丝之间的滑移摩擦更多，而金属丝网垫的金属丝之间交叉铺成网状，由网状层堆叠成型，压缩时金属丝之间的滑移摩擦较小。

4.2 密度对能量耗散系数的影响

图9为3 种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫在一个循环载荷作用下测得的能量耗散系数与压缩变形量的关系对比曲线。

从图9可以看出，对比相同材料不同密度的金属橡胶垫和金属丝网垫，密度小的能量耗散系数大于密度大的能量耗散系数。这是由于密度越小，内部金属丝的间隙越大，则便于金属丝之间的滑动，在相同变形量下金属丝之间产生的滑动位移就越大，因此产生滑移摩擦耗散的能量越多。

5 结语

本文通过对金属丝网垫和金属橡胶垫材料的加工工艺和细观特征进行分析，从而对这两类材料进行严格的区分；然后对这两种材料进行了静态压缩试验，研究不同压缩量以及不同密度等参数对金属丝网和金属橡胶材料的承载能力和能量耗散特性的影响，研究结果表明：

（1）金属橡胶垫和金属丝网垫的载荷-位移曲线具有相同的特征：1、其载荷-位移关系曲线变化趋势相同，都具有刚度非线性特性；2、都可以分为3个阶段，小变形时都表现为软特性，然后随着变形量的增加逐渐过渡到近似线性阶段，最后随着变形量的继续增加则表现为硬特性。

（2）对于同尺寸同密度的金属橡胶垫和金属丝网垫，在产生相同变形量时金属橡胶垫所需施加的载荷大于金属丝网垫所需施加的载荷，即在相同的载荷作用下，金属橡胶材料的变形小于金属丝网材料的变形，由此可知金属橡胶垫的承载能力大于金属丝网垫的承载能力。

（3）对于同尺寸同密度的金属橡胶垫和金属丝网垫，在产生相同变形量的条件下，金属橡胶材料的耗能特性优于金属丝网材料的耗能特性。

（4）金属橡胶垫和金属丝网垫的能量耗散特性与密度和压缩变形量有关，因此当利用金属橡胶垫或金属丝网垫进行隔振设计时应合理确定其密度和压缩变形量。

图8 3种密度的金属橡胶垫和金属丝网垫的能量耗散系数-变形量关系对比曲线

图9 3种密度的金属橡胶和金属丝网垫的能量耗散系数-变形量关系对比曲线