弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧-金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧-金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力-位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.     

基于等效阻尼理论的金属橡胶弹性迟滞力学模型及实验研究

针对弹性多孔金属橡胶非线性迟滞特性力学行为,将迟滞恢复力-位移曲线分解为非线性单值曲线和椭圆,并将等效阻尼理论用于动态力学性能参数识别,从而建立了一种新型的适用于黏弹性阻尼材料的宏观唯象力学模型。采用不同相对密度的环形金属橡胶进行动态实验测试,以验证理论模型的准确性,结果表明该模型可将具有非线性特性的金属橡胶系统进行降阶处理,提高金属橡胶力学模型的预测效率,并能很好地描述金属橡胶的迟滞力学行为。另外,研究了在不同激励频率条件下金属橡胶的阻尼耗能特性。实验结果表明:在高频加载的条件下,黏性阻尼系数对动态加载频率不敏感,阻尼耗能与加载幅值之间呈线性正相关。基于等效阻尼理论的弹性迟滞力学模型具有一定的普适性,可进一步推广应用于类似弹性多孔材料的力学性能表征,为其工程应用提供理论基础。     

复合材料水翼水动力与结构强度特性数值研究

针对复合材料水翼存在的流固耦合求解问题,结合其自身特有属性,对复合材料水翼结构变形特性进行了数值仿真计算研究.研究建立了复合材料水翼流固耦合数值计算模型,并将数值计算结果与Zarruk等的实验结果进行对比,验证模型的正确性,得出复合材料水翼尖端扭转角随雷诺数的增加而增加的研究结论.基于数值计算模型,系统地研究了不同铺层角对复合材料水翼水动力特性及强度特性的影响,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的尖端扭转角,随铺层角的增大而减小,而其尖端位移量随铺层角的增大先减小后增大.为了削弱工程常数的影响对复合材料水翼变形的影响,研究提出了无量纲扭转角和无量纲位移量,进一步探究复合材料水翼结构的弯扭耦合作用对其变形特性的影响.最后利用蔡$\!$-$\!$-$\!$吴失效准则进行复合材料水翼强度特性的判断和分析,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数,随铺层角的增大呈现先减小后增大的趋势,其中0$^\circ$铺层时的复合材料水翼蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最小,50$^\circ$铺层时的复合材料水翼的蔡$\!$-$\!$-$\!$吴系数最大.      

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加. 不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.      

多层波纹钢板式干摩擦减振器实验研究

多层波纹钢板式干摩擦减振器具有结构简单、加工工艺好、减振效果显著等特点 ,具有广阔的应用前景 ,与传统的减振材料及结构相比 ,波纹钢板减振器具有耐高低温、耐腐蚀、承载能力更大、寿命更长以及可靠性更高等优点。本文研究了多层波纹钢板式干摩擦减振器制备工艺方法、动静态实验方法以及动静态特性 ,并研究了影响波纹钢板隔振性能的主要影响因素。实验结果表明 ,多层波纹钢板式干摩擦减振器具有良好的迟滞阻尼性能 ,减振器的刚度和能耗系数都随变形量的变化而呈非线性变化 :减振器的性能决定于钢板厚度、波纹高度、相对自由间隙和钢板层数等参数。对于不同参数的减振器 ,频响曲线的共振频率范围变化不大。该种减振器可以在较宽的频率范围工作。研究结果为多层波纹钢板减振器的进一步应用研究奠定了基础     

中子辐照金属材料的脆化模型研究

金属材料的辐照脆化问题一直以来都是核能安全领域亟待解决的关键问题之一.为了更准确地预测金属材料的辐照脆化行为,基于Johnson-Cook本构模型,将未辐照金属材料的断裂真应力取作辐照材料的断裂真应力,建立了通过辐照退火态金属材料屈服强度就能够预测其整个真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,以及断裂真应变的辐照脆化模型.实验研究了不同中子剂量辐照退火态高纯铝的准静态拉伸真应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、断裂真应力和断裂真应变随辐照剂量的变化规律.结果表明,辐照剂量越高,高纯铝的屈服强度越高,断裂真应变越低,但断裂真应力几乎不变.通过TEM显微分析获得了高纯铝内部辐照缺陷的尺寸和数密度随辐照剂量的变化规律,结果表明,辐照剂量越高,孔洞的尺寸和数密度越高,但位错环尺寸和数密度始终很小,难以准确统计.由辐照高纯铝实验数据拟合得到了辐照脆化模型所需参数,并检验了该模型的预测效果.结果表明,无论是通过实验还是显微分析得到辐照高纯铝的屈服强度,模型的预测结果均能够与实验结果较好地吻合,且模型对退火态高纯铝临界中子剂量的预测值也与文献结果一致.      

N330炭黑增强天然橡胶材料力学性能的实验研究

为了研究炭黑对橡胶材料力学性能的影响,对9种不同体积含量的炭黑填充橡胶材料进行了准静态力学实验研究。利用循环拉伸加卸载实验分析了炭黑对橡胶Mullins效应及能量损耗的影响,通过单轴拉伸实验研究了炭黑对橡胶材料刚度和起始模量的影响,采用多步松弛拉伸加卸载实验研究了炭黑对橡胶材料应力行为的应变历史相关性的影响。实验结果表明:炭黑填充量越高,橡胶材料的刚度越大,初始模量越大,Mullins效应也越明显;随着炭黑填充量的增加,橡胶在加卸载循环中所产生的迟滞损耗、Mullins效应相对能量损耗以及残余应变都呈现出非线性增长趋势;随着炭黑填充量的升高,橡胶在加卸载过程中的应力松弛现象越明显,其平衡态迟滞损耗以及与时间相关部分的迟滞损耗也越大。     

考虑陀螺效应的铣削颤振分析1)

主要研究主轴旋转过程中产生的陀螺效应对切削颤振稳定性边界的影响。基于一种旋转下的主轴、刀杆和刀具模型,采用欧拉$\!$-$\!$-$\!$伯努利悬臂梁理论获得考虑陀螺效应的切削系统的传递函数。在此基础上,探究了考虑陀螺效应的高速切削系统的稳定性。结果表明,陀螺效应改变了高速铣削的临界切削深度。并且在考虑陀螺效应的情况下,刀具齿数越多临界切削深度越小,降低系统刚度将减小临界切削深度,增大系统阻尼比将增大临界切削深度。     

屈服准则及切线模量修正的弹塑性计算模型

为提高不同应力状态下金属弹塑性行为的模拟精度,采用含应力三轴度修正的von Mises屈服准则,材料弹塑性本构关系在等效应力$\!$-$\!$-$\!$等效应变曲线基础上,提出一个切线模量为主应力函数的理论修正项. 将这两个修正项结合,以子程序形式编程嵌入ABAQUS主程序,以此模拟几种不同形状试样的弹塑性行为,并将其他屈服准则在单一曲线假设下编程与之对比. 模拟结果与真实试验结果对比发现,对于屈服而言,含应力三轴度修正的vonMises屈服准则比其他屈服理论准确;对于弹塑性阶段计算而言,提出的切线模量为主应力函数这一假设比单一曲线假设更加接近真实试验.      

布勃诺夫——伽辽金方法溯源

布勃诺夫--伽辽金方法是解弹性力学问题的一种广泛应用的近似方法, 有不同的命名. 文献表明, 1913年布勃诺夫在评铁摩辛柯著作的``书评'中, 提出这个近似方法的基本思想, 形成了方法, 并举例说明其应用. 1914年布勃诺夫在其著作中应用这个方法求解了一系列稳 定性问题. 1915年伽辽金在其著作中推广应用这个方法, 求解了一系列弹性力学问题. 这个近 似方法以``布勃诺夫$\!$-$\!$-$\!$伽辽金方法'命名, 符合这个方法的提出、应用和推广的历史.     

On the hysteresis of wire cables in Stockbridge dampers

Stockbridge dampers are used e.g. for reducing wind-excited oscillations due to vortex shedding in conductors of overhead lines. In these dampers, mechanical energy is dissipated in wire cables (“damper cables”). The damping mechanism is due to statical hysteresis resulting from Coulomb (dry) friction between the individual wires of the cable undergoing bending deformation. Systems with statical hysteresis can be modelled by means of Jenkin elements arranged in parallel, consisting of linear springs and Coulomb friction elements. The damper cable is a continuous system and damping takes place throughout the whole length of the cable, so that distributed Jenkin elements are used. The local mechanical properties of the wire cable are identified experimentally in the time domain. In particular, the moment–curvature relation is determined experimentally at every location of the wire cable subjected to dynamic flexural deformations. Using such a model for the damper cables, the equations of motion can be formulated for a Stockbridge damper, and discretization of the damper cable leads to a system of non-linear ordinary differential equations. In order to test this dynamical model of a Stockbridge damper we compute impedance curves and compare them to experimental results.     

采动区建筑物抗变形隔震装置的力学性能分析

介绍了采动区建筑物抗变形隔震装置的基本构成,并基于地震工程学和开采沉陷学的原理对抗变形隔震支座进行了理论分析,通过实验对采动区抗变形隔震支座在低周反复荷载作用下的滞回耗能特性进行了分析。结果显示,在低周循环荷载作用下采动区抗变形隔震支座的滞回耗能曲线饱满,表明其良好的自复位、耗能能力和变形能力大、稳定的滞回性能等特点,说明抗变形隔震支座的传力机制明确、构造比较合理。隔震支座充分利用了铅芯橡胶、粘滞阻尼器和蝶形弹簧三种不同的耗能材料和耗能机制,其适宜的水平隔震刚度和阻尼耗能性能、竖向能够抵抗不均匀沉降,充分体现了其良好的整体稳定性。该抗变形隔震支座有效的改善了采动区建筑抵抗煤矿采动损害和震害的能力,为采动区建筑物保护提供科学方法和依据。     

金属丝网橡胶压缩力学性能研究

对金属丝网橡胶进行了静态压缩试验。利用控制变量法研究了压缩量、相对密度、金属丝丝径、丝材和承压面积对金属丝网橡胶压缩力学性能的影响,并对平均刚度和能量耗散系数随压缩量和相对密度的变化关系进行了研究。试验结果表明:随着压缩量的增加,金属丝网橡胶非线性力学特性逐渐增强;相对密度越大,金属丝网橡胶承压能力越强;金属丝的丝径和丝材主要影响金属丝网橡胶非线性阶段的力学特性,丝径越大,丝材越硬,承压能力越强;承压面积越大,金属丝网橡胶的承压和耗能性能越好;随着压缩量的增加,平均刚度增大,承压能力增强,能量耗散系数减小,减震性能降低;随着相对密度的增加,平均刚度和能量耗散系数均增大,承压能力和减震性能均增强。     

丁腈橡胶紫外线臭氧照射亲水改性及其水润滑性能研究

以丁腈橡胶为基底,采用紫外线-臭氧照射进行亲水/超亲水表面改性,通过接触角测量仪、光学显微镜对亲水改性表面的接触角、接触角滞后和微观形貌等特性进行表征,分析了表面亲水性的改性机理,并采用MFT-5000型摩擦磨损试验机测试了丁腈橡胶亲水表面的机械耐久性和保持性. 研究结果表明:采用紫外线臭氧照射丁腈橡胶10 min,就能得到完全润湿的超亲水表面,且在紫外线臭氧照射下,丁腈橡胶与臭氧发生反应生成氧化膜,使亲水改性后的丁腈橡胶,在干摩擦和水润滑状态下均表现出较小的摩擦系数和较好的耐磨性      

架空输电线防振锤阻尼特性实验研究

本文利用梁的振动理论对防振锤的阻尼特性进行研究。通过正弦激励下的共振驻留法,分别对不同型号以及同种型号不同锤头质量的防振锤进行振动实验,应用能量平衡原理得到了防振锤的阻尼特性曲线,分析了不同模态响应在阻尼耗能中的贡献。考虑不同类型阻尼对于减振性能的作用,在Lazan阻尼假设的基础上,利用经验公式推导了阻尼系数计算公式。结果表明,钢绞线变形大小直接影响防振锤的阻尼值大小;阻尼对减小共振频率附近的受迫振动幅值作用明显,验证了防振锤的减振性能;同时锤头质量的变化可以影响阻尼曲线的变化。以上结论可为防振锤的防振设计和应用提供参考。     

Sensitivity analysis of tire-ice friction coefficient as affected by tire rubber compound properties

Previous studies show that the material properties of the rubber are among the most important factors when designing a tire. In this study, we investigated the effects of different rubber properties on tire performance on ice. A theoretical model that incorporates these tire material properties was developed. The model was used to estimate the height of the water film generated due to friction and the friction coefficient for both, dry and wet regions at the tire-ice contact patch. After validating the results using experimentally collected data, the model was used to perform a sensitivity analysis on the tire performance with respect to six material properties of the tread rubber: thermal conductivity, rubber density, Young’s modulus, specific heat, roughness parameter of the rubber, and radii of spherical asperities of the rubber. To study the effect of each parameter, the desired material property was varied within a specific range while the other parameters were kept constant. The results from this study show the sensitivity of the magnitude of the friction coefficient to the rubber material properties. The friction coefficient has a direct relationship with the density of the rubber and has an inverse relationship with Young’s modulus, specific heat, and roughness parameter.     

Tire-ice model development for the simulation of rubber compounds effect on tire performance

The material properties of the rubber compounds, which are highly dependent on temperature, have a vital role in the tire behavior. A comprehensive study on the effect of the rubber properties on tire performance, for different temperatures, as well as different road conditions is required to adequately predict the performance of tires on ice.In this study, a theoretical model has been developed for the tire-ice interaction. The temperature changes obtained from the model are used to calculate the height of the water film created by the heat generated due to the friction force. Next, the viscous friction coefficient at the contact patch is obtained. By using the thermal balance equation at the contact patch, the dry friction is obtained. Knowing the friction coefficients for the dry and wet regions, the equivalent friction coefficient is calculated. The model has been validated using experimental results for three similar tires with different rubber compounds properties. The model developed can be used to predict the temperature changes at the contact patch, the tire friction force, the areas of wet and dry regions, the height of the water film for different ice temperatures, different normal load, etc.     

基于湍流类比的金属橡胶吸声特性定量分析

金属橡胶材料从表到里都具有大量互相贯通且混乱的孔隙, 经分析认为, 这种混乱性及一定的周期性与湍流中的不规则性和准周期性极其相似. 由于金属橡胶材料内部芯材结构的不规则性, 即便此时的雷诺数很小, 波在金属橡胶中的传播仍是以湍流流动为主. 因此, 引入Kolmogorov的关于湍流的局部各向同性概念, 同时对Kolmogorov关于湍流局部各向同性的两个假设进行类比. 从湍流物理模型出发, 借鉴了湍流的统计处理方法, 对金属橡胶材料的吸声特性进行定量分析, 得到金属橡胶材料的能量耗散率与其结构参数之间的表达式. 研究结果表明, 湍流统计方法的引入, 为基于金属橡胶材料的减振器、阻尼器、消声器等的优化设计提供了可靠的理论依据, 也为超轻金属多孔材料的工程应用提供了一种有效的定量分析方法.      

Passive control of vibration of thin-walled gears: advanced modelling of ring dampers

Vibrations on gears are mainly induced by the gear mesh contact. Resonance conditions of the gear may occur during service if the mesh frequency is close to the natural frequencies of the system at the designed speed of the shaft. Since detuning is not always possible in gears, the response level must be reduced by increasing the damping of the system. In this paper, a passive approach based on the application of a ring damper to reduce the vibration level is presented. The ring damper is placed in a groove underneath the outer rim of the gear. The contact is guaranteed by the preload due to the elasticity of the ring damper itself and above all by the centrifugal force that presses the damper against the groove during rotation. The relative motion of the two components at the contact interface dissipates energy by friction, and hence damping is generated. The vibration amplitude is reduced by optimizing the material and geometrical properties of the ring damper. One of the most important parameters in the determination of the amount of damping due to friction phenomena is the static normal load at the contact, which depends on the mass, the shape, and the material of the ring damper. A numerical method is presented, which couples the static and dynamic equilibrium equations of the assembly. The core of the proposed method is the contact element that takes into account local stick–slip–lift off of the contact and determines the contact forces in terms of static and dynamic loads, which are then used to solve the coupled static and dynamic equilibrium. Since the ring damper has a cut that breaks its continuous circular shape in order to be fitted on the groove, the hypothesis of cyclic symmetry for the gear/ring–damper assembly fails. As a consequence, an appropriate reduced-order modeling is presented to allow the forced response calculations. The algorithm is applied to a dummy bevel gear and to a ring damper having a flat punch contact area. The forced response calculations are performed to highlight the nonlinear interaction between the gear and damper by varying the parameters that mainly affect the amount and distribution of the contact forces and therefore the response level.