金属橡胶迟滞特性本构模型研究

金属橡胶作为一种新型阻尼材料, 其原材料及加工工艺具有一定特殊性. 基于材料的细观结构特征, 选取了金属丝螺旋卷作为金属橡胶的基本微元体结构, 并以圆柱压缩螺旋弹簧理论为基础, 分别建立了横向和纵向排列微元体结构的刚度. 鉴于库仑摩擦模型, 分别建立三种接触状态螺旋卷接触对的力学模型. 考虑整个加工工艺流程的特点, 分析了不同接触状态数目变化规律, 建立了金属橡胶迟滞特性本构模型. 从理论上解释了金属橡胶迟滞特性的特点, 以及刚度和阻尼非线性的产生机理. 最后, 通过对比不同相对密度金属橡胶试件的理论和试验结果, 验证了理论模型的适用性. 本模型从螺旋卷微元体结构上描述了金属橡胶迟滞特性, 为工程上预测和分析金属橡胶的刚度、阻尼特性和设计金属橡胶产品提供了有效的理论基础.     

具有迟滞非线性的金属橡胶隔振器参数识别研究

金属橡胶隔振器具有非线性的动力学特性,对这种迟滞阻尼隔振器进行建模研究,建立了参数有物理意义的动力学模型.根据单自由度性能试验,进行了有关参数的试验识别方法研究,应用能量法及最小二乘法将非线性方程组转化为关于参数的线性方程组,从而对金属橡胶隔振器参数进行识别.识别结果与实验结果有较好的一致性,识别结果也说明了结构参数对隔振器性能的影响. 关键词： 金属橡胶隔振器 动力学模型 迟滞非线性 参数识别     

具有形状记忆效应的新型智能阻尼材料及其热弹性力学性能研究

将传统金属橡胶制备工艺和形状记忆合金材料相结合, 研制了一种新型智能阻尼材料——-记忆合金金属橡胶, 并对其成型工艺、形状记忆效应、热弹性力学性能及参数影响规律进行了试验研究. 研究表明, 作为一种特殊的金属橡胶, 该材料不仅具备普通金属橡胶高阻尼、低密度、孔隙度可控等优点, 同时具备普通金属橡胶所不具备的智能材料特征: 1)良好的单程形状记忆效应, 该材料在大载荷加载后的残余塑性变形可以在升温过程中完全恢复; 2) 弹性模量和损耗因子具有温变特性, 在相变温度区间内弹性模量和损耗因子随温度近似线性变化. 由于同时具备金属橡胶和形状记忆合金两大金属类功能材料的优点, 形状记忆合金金属橡胶成为一种可应用于振动主动控制、 集良好承载能力和阻尼特性于一身、具有结构功能一体化优 势的新型智能阻尼材料.     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

金属纳米棒弯曲力学行为的分子动力学模拟

纳米结构的力学性能是纳米超微型器件设计的基础,分子动力学是研究纳米结构力学行为的有效方法.本文采用镶嵌原子方法模拟金属铜纳米棒的弯曲力学行为.计算结果表明由于尺寸效应和表面效应的影响,在纳观尺度下纳米结构表现出与宏观尺度下完全不同的力学特征.金属纳米棒弯曲力学过程分为初始变形迟滞阶段、线弹性变形阶段和塑性变形阶段.塑性变形阶段表现出“刚化”、“台阶”和较强的延性等特征. 关键词： 纳米结构 纳米棒 弯曲性能 分子动力学     

基于分数阶微分流变模型的非晶合金黏弹性行为及流变本构参数研究

近年来, 基于非晶合金名义弹性区的流变力学行为探索其结构及形变机理是非晶合金领域研究的热点之一. 本文根据非晶合金结构不均匀性的特征, 提出能够比拟树状分形网络结构的分数阶微分流变模型研究非晶合金的黏弹性行为. 通过室温纳米压痕实验, 对三种不同泊松比和玻璃化转变温度的非晶合金的黏弹性变形行为进行了研究. 实验结果表明: 在表观弹性区, 非晶合金的变形表现出与加载速率相关的线性黏弹性性质. 根据Riemann-Liouville分数阶微积分定义, 分别由分数阶微分及整数阶Kelvin模型对实验结果进行了分析. 分析结果表明, 相对于整数阶流变模型, 分数阶微分流变模型能更精细地表征材料的黏弹性变形特征; 在流变模型参数中, 黏性系数η_A和分数阶次α反映出材料的流变特性和流动趋势, 流变参数与玻璃转变温度、泊松比之间具有较好的相关性, 上述相关性有助于从微观结构角度理解材料塑性与泊松比的关联.     

地铁车辆直型辐板阻尼环车轮声振特性分析

为探究地铁车辆阻尼环扩张状态对阻尼环车轮声振特性影响,在半消声室内进行阻尼环车轮自由状态下的声振特性实验研究,结合有限元仿真对实验结果进行分析。研究表明,环-轮组合振动固有频率与原车轮相比变化不大,但阻尼环使车轮的模态阻尼比显著增加,有效抑制了车轮各模态的振动幅值。改变阻尼环扩张状态,阻尼环降噪效果发生非线性变化,幅值在5.6 dB(A)之内。阻尼环扩张状态可通过调节非闭合阻尼环两端扩张装置来改变。阻尼环处于非最大扩张状态W_3时,可获得最佳降噪效果。     

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后, 受到厚度方向的电压作用时, 薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形. 电场采用Maxwell应力分析, 力场采用橡胶弹性模型分析. 拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean, Arruda-Boyce, Gent等模型. 这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差. 通过对实验数据的分析, 结合数学方法, 提出了一个新的自由能函数模型. 通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合, 并以Neo-Hookean, Gent模型作为对照, 结果与实验数据拟合很好, 比对照模型的偏差明显缩小.     

金属橡胶热物理性能理论与试验研究

针对金属橡胶材料在高温环境下的热稳定性能和热传导性能, 基于金属橡胶的内部基本组分以及特殊的编织制作工艺, 构建了两种典型排列微元体结构, 并以此描述微元体在三种接触状态下的热膨胀特性, 提出了金属橡胶热膨胀Schapery分析模型, 从理论上解释了金属橡胶热膨胀的产生机理.根据金属橡胶基本组成单元的传热模式, 研究了金属橡胶的传热过程.利用热电比拟法和有限元法, 分析微元体的导热性能, 结合微元体的分布形式, 提出了金属橡胶的导热分析模型.试验测试了不同相对密度金属橡胶的热膨胀和热传导性能, 验证了金属橡胶热膨胀和导热特性分析理论模型的适用性.所得到的金属橡胶的热膨胀和热传导性能理论模型和试验结果, 为金属橡胶材料在高温环境下的热物理特性分析提供了理论基础和计算分析依据. 关键词： 金属橡胶 热膨胀 热传导 金属丝螺旋卷     

应变率相关的橡胶本构模型研究

为研究橡胶在不同应变率下的响应特性,建立应变率相关的橡胶黏超弹性本构模型,分别采用超弹性本构模型和黏弹性本构模型表征其非线性弹性行为和应变率相关的弹性行为。首先,对于超弹性模型,基于最小二乘法,对比了Mooney-Rivlin模型、修正的Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、修正的Yeoh模型、Ogden模型和Arruda-Boyce模型等超弹性本构模型的拟合能力。结果表明,经修正的Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的拟合优度与Ogden模型和Arruda-Boyce模型接近。在此基础上,基于一种参数较少且拟合效果良好的修正Mooney-Rivlin模型和应变率相关的Maxwell模型,建立了橡胶黏超弹性本构模型,考察了该黏超弹性本构模型在单轴拉伸和单轴压缩情况下中高应变率时的拟合能力。结果表明,对于这两种受力情况下的应变率相关的实验数据,该黏超弹性本构模型的拟合优度均在0.95以上。研究结果为大应变率范围内单轴拉伸和单轴压缩下橡胶的本构模型选择提供了参考。     

一种机载光电设备减振系统设计及稳定精度试验研究

以光电设备减振系统为研究对象,从光电设备轻型化、小型化设计角度出发,针对现有内置橡胶减振系统的诸多不足,采用金属减振器,设计出一款适用于机载光电设备的外置型金属减振系统。通过对该减振系统的振动和冲击试验,测得固有频率、最大传递率及冲击最大位移值。通过对比光电设备在两种减振系统下的稳定精度, 得出以下结论:外置金属减振系统和内置橡胶减振系统均能使光电设备的稳定精度满足不大于25μrad的使用要求,但外置金属减振系统能提高光电设备内部有效空间,同时,外置金属减振系统作为整体可更换单元,降低了减振系统的维修难度,提高了光电设备整体维修性,为其他光电传感器的集成和实现机载光电设备轻型化、小型化提供了可能。     

Evaluation of frequency dependent rubber mount stiffness and damping by impact test

A simple experimental method is presented in this paper to evaluate the frequency dependent rubber mount stiffness and damping characteristics by utilizing the measured complex frequency response function from impact test and by least-squares polynomial curve fitting the data obtained from the test. The study shows the transition of the rubber mount stiffness from static to dynamic values. Using the experimentally estimated values of the rubber mount stiffness and damping, the dynamic response of the tested spring-mass system using a rubber mount as the elastic element can be accurately reproduced. In contrast, it is found that the single degree of freedom ideal spring-mass model using constant stiffness and damping values can only predict the response of the system accurately at resonance but not at non-resonance frequencies. The proposed method is validated by comparing its results with those obtained by using mechanical shaker excitations and those of conventional direct stiffness method using blocked transfer frequency response functions.     

Energy dissipation of a ring-like metal rubber isolator

Metal rubber （MR） is a kind of homogeneous poroelastic damping material made of metal wire. In this paper, by ana- lyzing the forces on the MR isolator and the MR element, the hysteresis loops of the force and deformation are studied and verified by experiments. The results show that the force and displacement hysteresis loop of the MR isolator is described by the force and deformation hysteresis loops of the MR elements. In addition, the relationship between the energy dissipation coefficient of the MR element and that of the MR isolator is derived. The energy dissipation coefficient is programmed and calculated by MATLAB using experimental data, and the results are compared with the theoretical value. It is the basis for the design and applied research of the MR isolator in a future study.     

金属橡胶隔振器随机振动加速度响应分析

通过对随机激励下干摩擦隔振系统理论的深入研究,推导了金属橡胶隔振系统随机激励均方加速度响应求解公式.对金属橡胶隔振器进行随机振动试验,分析了金属橡胶隔振器相对密度、预变形及所加试验量级对金属橡胶隔振系统均方根加速度响应的影响,得到了相关变化规律曲线.同时还分析了均方根加速度响应理论值与试验值的对比误差,确定了公式的适用范围. 关键词： 金属橡胶隔振器 随机振动 加速度响应     

玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究

废旧橡胶制品颗粒与砂土颗粒混合物作为建筑填充材料具有环保、轻质、减震效果好等特点.软硬组分的混合比例可以调制体系力学性能从而实现兼顾材料柔韧性与强度的需求,但细观层面上材料性能改变的原因尚不明确.本文主要研究玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为及其微观机制.利用飞行时间法测量混合材料等效动弹性模量,发现随着橡胶颗粒增加,体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为.离散元模拟结果与实验结果类似.此外,模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构,而橡胶颗粒基本不参与强力链的构成.当橡胶颗粒占比较大时,玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构,但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀,可视为玻璃颗粒悬浮于橡胶颗粒中.基于上述结果,提出了改进的等效介质理论,用于描述混合颗粒体系的弹性行为.研究认为:橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀,材料近似满足等应变假设,视为并联弹簧模型;橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设,视为串联弹簧模型.两种模型得到的结果与模拟结果一致.上述结果有利于从微观角度揭示混合颗粒材料弹性行为的变化机制.     

Theoretical analysis and experiment study on the acoustic parameters of metal rubber materials

The acoustic parameters of metal rubber materials were theoretically and experimentally investigated. Under the assumption that metal rubber materials were homogenous, isotropic and porous structures, formulas were deduced for the calculations of effective sound velocity, characteristic impedance, propagation constant, structural constant and flow resistivity. The structural constant of metal rubber materials with different structural parameters were obtained and analyzed by using experiments. The experimental and theoretical values of characteristic impedance and propagation constant were compared and analyzed. It is shown that the proposed theoretic method based on the homogenous, isotropic and porous material model is suitable to calculate the acoustic parameters of metal rubber materials.     

Viscoelastic analysis of multi-body systems using the finite element method

A study of the effect of viscoelastic material damping on the dynamic response of multibody systems, consisting of interconnected rigid, elastic and viscoelastic components, is presented. The motion of each elastic or viscoelastic body is identified by using three sets of modes: rigid body, reference and normal modes. Rigid body modes describe translation and large angular rotation of a body reference. Reference modes are the result of imposing the body-axis conditions. Normal modes define the deformation of the body relative to the body reference. Constraints between different components are formulated by using a set of non-linear algebraic equations that can be introduced to the dynamic formulation by using a Lagrange multiplier technique or can be utilized to eliminate dependent co-ordinates by partitioning the constraint Jacobian matrix. In developing the system equations of motion of the viscoelastic component, an assumption of a linear viscoelastic model is made. A Kelvin-Voigt model is employed, wherein the stress is assumed to be proportional to the strain and its time derivative. The formulation yields a constant damping matrix and the damping forces depend only on the local deformation; thus, no additional coupling between the reference and elastic co-ordinates appears in the formulation when considering the viscoelastic effects. It is demonstrated, by a numerical example, that the viscoelastic material damping can have a significant effect on the dynamic response of multibody systems.