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。     

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     

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。     

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。     

新型橡胶隔振器参数辨识及动力学特性研究

采用粘弹性-超弹性-弹塑性材料本构模型,对一种新型的橡胶隔振器进行了动态特性研究,并与已有实验结果进行了对比。根据所得到的恢复力-位移迟滞回线,研究了频率、动态位移幅值对橡胶隔振器的动刚度的影响。在此基础上,给出了这种新型橡胶隔振器的非线性恢复力模型并进行了参数辨识。根据所得恢复力模型对隔振器系统进行了动力性能研究,发现此橡胶隔振器在低频时隔振作用很小,但在高频时隔振效果明显且随频率增加力传递率逐渐减小,隔振效果最大可达到96%。该隔振器的建模和参数辨识方法为这类隔振器的优化设计和工程应用提供了理论依据和分析方法。     

橡胶弹性支座动态承载特性及其影响因素分析

基于复刚度理论,采用正交实验法,对风力发电机橡胶弹性支座进行动态性能实验,研究载荷频率、载荷幅值、预载荷诸因素对弹性支座动态性能的影响规律. 实验结果表明,橡胶材料的动态性能与载荷频率和幅值具有显著的相关性. 频率增加,橡胶弹性元件的弹性刚度和阻尼因子明显增大;幅值增加,弹性刚度减小,阻尼因子却逐渐增大. 对实验数据进行方差分析,表明载荷频率对动态性能的影响最大,其次是载荷幅值,预加载因素影响非常有限.     

用IHB法分析双谐波激励下铰接塔-油轮系统的非线性动力学特性

研究了考虑平方阻尼情况下,铰接塔-油轮系统在双谐波激励下的非线性动力学特性.将该系统简化为单自由度分段线性恢复力,含平方阻尼的运动学分析模型,建立了铰接装载塔系统的分段非线性动力学方程.采用增量谐波平衡法获得系统周期解,使用Floquet理论判断系统的运动稳定性,结合路径跟踪法跟踪系统响应曲线,获得了系统所有可能的亚谐、谐波、组合谐波共振运动.分析了不对称恢复刚度比值对系统亚谐、组合谐波共振和对系统运动倍周期分岔点的影响,比较了考虑平方阻尼和不考虑平方阻尼情况下系统非线性动力学特性,得到了系统的一些重要的非线性动力学特点.     

干摩擦系统在基础位移冲击激励下的特性

本文给出了具有软化弹簧特性的干摩擦隔振系统隔离基础位移冲击激励的理论分析和结果,分析结果表明干摩擦隔冲系统远优于线性阻尼系统,隔冲效果很明显.     

橡胶隔振系统非线性振动参数识别与特性研究

建立单自由度非线性系统基础激励正弦扫描试验的数学模型,并针对多项式非线性阻尼与多项式非线性弹簧并联的橡胶隔振系统求解了数学模型.进而在此框架下通过正弦扫描振动试验,采用共振峰值法识别了橡胶隔振器的非线性阻尼与刚度系数,研究了不同振动量级下小型橡胶隔振器的振动特性.     

考虑微观粘滑的连接梁结构动力响应分析

连接的存在对结构的动力学响应有重要影响.界面的微观/宏观粘滑运动引起结构刚度和阻尼的非线性.传统的结构动力学研究中通常采用等效线性化的方式处理含连接结构的动响应分析问题.本文从连接界面微/宏观滑移运动引起结构非线性和阻尼迟滞的物理机理出发,利用一种弹簧-滑块并联系统模型模拟界面上的微/宏观粘滑行为,以该模型描述的本构关系为基础,推导了能应用于平面梁结构有限元动响应分析的非线性连接单元.利用上述模型和单元研究了含连接平面梁结构的动响应问题.设计了实验件,进行了力锤冲击实验,并将数值计算结果与实验结果进行了对比和分析.结果表明,界面微/宏观粘滑是引起干摩擦阻尼的主要原因,考虑非线性微/宏观粘滑运动对含连接结构的动响应分析至关重要.本文的模型和方法能够有效地预测含连接结构的非线性动力学响应,特别是在瞬态响应的高振幅阶段.     

汽车整车非线性动力计算

通过轿车副车架橡胶支承的动态特性试验和理论分析,实现橡胶支承迟滞特性的数学建模和参数识别。利用所建模型重构恢复力-位移迟滞回线,并与试验结果比较表明所建模型的正确性。介绍了具有线性和非线性连接子结构的自由界面模态综合法的基本原理,并采用该方法建立了考虑副车架橡胶支承迟滞特性的整车非线性动力学模型,用所建模型对汽车动力特性进行了数值仿真,并通过试验对仿真结果进行验证。     

形状因子变化时金属橡胶结构的静态力学性能分析

以多孔材料理论为基础,干摩擦非线性理论为依据,并结合小曲梁模型建立了金属橡胶结构的力-位移关系模型,通过空心圆柱形金属橡胶结构的静态试验,对试验数据进行了拟合,得到了力-位移模型中的各项系数与形状因子的变化关系式,同时建立了金属橡胶结构的力学特性与结构参数的变化关系,从而实现了对金属橡胶结构在密度一定、形状因子发生变化情况下的力-位移关系的预估,最后从十三种试件以外取两种形状因子不同的金属橡胶试件进行算例验证,证明本文采用的方法的可靠性,并对这两种试件的应力应变曲线进行比较,为进一步研究金属橡胶材料奠定了理论基础.     

惯组小系统动力学建模与非线性特性分析

基于"三心重合"的设计思想和飞行器的姿态需求,建立了含立方项非线性刚度的惯组小系统动力学模型.提出了惯组小系统存在系统动刚度和减振器动刚度的"双层级"概念.利用龙格-库塔法求解渐软非线性系统对正弦扫频激励的响应,得出减振器动刚度存在对激励幅值和激励频率的敏感区域,采用动刚度曲线表征了减振器的非线性软化特性.利用虚弧长延...     

接地惯容式减振器对悬臂输流管稳定性和动态响应的影响研究

输流管道广泛应用于机械、航空、核电和石油等重要工程领域.为防止管道结构因流致振动破坏造成的损失, 很有必要对其稳定性、动力学响应及其调控进行深入研究.本文提出一种由惯容器、弹簧和阻尼器并联组成的减振器模型, 研究了这种接地惯容减振器对悬臂输流管稳定性和非线性振动的影响. 首先, 基于哈密顿原理给出了带有接地惯容减振器非保守系统的非线性动力学模型; 然后, 利用高阶伽辽金方法对非线性方程进行离散化; 最后, 分别从线性和非线性角度分析了不同减振器参数下输流管道的被动控制效果, 着重讨论了惯容系数和减振器安装位置对悬臂管稳定性和动态响应的影响机制.线性理论模型的研究结果显示, 接地惯容减振器可显著影响悬臂管的失稳临界流速, 故通过调节减振器参数能有效提高输流管道的稳定性;惯容系数和弹簧刚度对系统稳定性的控制效果还与减振器的安装位置密切相关.非线性理论模型的分析结果显示, 惯容系数和减振器位置对输流管的非线性动态响应也有显著影响, 且这种影响还依赖于管道的流速取值; 在某些参数条件下, 减振器还可使输流管道由周期运动演化为复杂的混沌行为. 本文研究结果表明, 通过设计合理的惯容式减振器参数, 可提升悬臂输流管道的稳定性并有效抑制其颤振幅值.      

橡胶减摩抗磨改性研究进展

橡胶因具有优异的理化性质及独特的力学性能而广泛应用于国防、航空航天、医用、交通、建筑及机械电子等领域,起到减震、缓冲和密封等作用.摩擦学性能是橡胶材料的重要指标之一,然而橡胶自身具有较高的摩擦系数,在一些应用领域,如活塞杆、阀轴(杆)密封、轮胎和水润滑轴承等,因黏连、摩擦生热、机械磨损及磨粒磨损等原因导致性能下降甚至失效.本文中首先综述了橡胶摩擦及磨损理论,随后从橡胶基体改性、橡胶表面处理以及表面织构化3个方面介绍了橡胶减摩抗磨改性方法的研究进展,并对其发展前景进行了展望.     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

基于概率密度演化理论的LRB隔震支座时变可靠度研究

铅芯橡胶隔震支座LRB （Lead Rubber Bearing）的等效水平刚度是隔震建筑物的重要力学指标,橡胶材料由于其复杂活跃的化学组分,在使用过程中极易发生老化,是LRB支座中随时间变化的活跃因素。考虑铅芯橡胶隔震支座中橡胶材料退化的时变性和随机性,引入时变变异系数。基于概率密度演化方法,得到LRB支座等效水平刚度的概率密度演化曲线和时变可靠度。结果表明,随着时间的增长,支座等效水平刚度产生增大的趋势,支座的可靠度发生非线性降低,老化对支座等效水平刚度的离散性产生了明显的影响。     

四自由度非线性系统的随机分岔混沌特性研究

以四自由度迟滞非线性随机振动模型为研究对象,以速度和位移立方的模型来模拟振动系统的迟滞非线性力,并以Monte Carlo法模拟随机位移激励,对迟滞非线性随机系统的动力学特性进行分析.通过系统的Poincare截面、分岔图及最大Lyapunov指数分析了系统迟滞非线性力各参数对系统混沌状态的影响.研究表明,非线性刚度系数对振动系统混沌状态的影响较小,线性阻尼项和线性刚度项次之,而非线性阻尼项的影响最为明显.不仅证明了非线性振动系统随机混沌振动现象的存在,更重要的是可以为非线性振动系统参数的合理取值提供理论依据.     

管道封堵机器人的大变形橡胶筒静态密封特性仿真与试验研究

在管道封堵机器人中大变形橡胶筒是实现密封的核心部件,其在使用中常出现密封失效和撕裂失效等问题.为了明晰上述原因和解决问题,本文中研究了不同橡胶材料以及不同橡胶筒轴向长度、径向长度和倾斜边角等结构参数对管道封堵机器人的静态密封特性影响.基于橡胶材料的高弹性和大变形特性,进行了橡胶筒的多阶段变形力学分析.对橡胶材料进行单轴拉伸压缩试验,得到橡胶材料的本构关系参数.建立管道封堵机器人橡胶筒密封特性分析的有限元计算模型,通过多因素分析方法,获得橡胶筒关键结构参数的最优方案.并设计了室内试验来进一步确定最优橡胶筒材料.研究结果表明集中在橡胶筒肩部的应力直接影响橡胶筒的形变损伤.经过橡胶筒的密封效果对比分析后得出最优的橡胶筒结构为轴向长度180 mm、径向厚度55 mm、倾斜边角28°,橡胶材料硬度为85 HA.