金屬橡膠材料剪切性能試驗研究

金屬橡膠材料剪切性能試驗研究

由于其獨特的干燥性能，金屬橡膠材料在衰減結(jié)構(gòu)中得到了很好的應(yīng)用，并發(fā)揮了更好的作用。用于成型的金屬絲螺旋卷材料通常為不銹鋼絲(如1Cr18Ni9Ti),將金屬絲螺旋卷拉伸后,采用特殊工藝方法鋪放在模具中,經(jīng)過冷壓成型,金屬絲之間排列成有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各種減震和抗沖擊系統(tǒng)中,它因具有橡膠的彈性而得名。金屬橡膠是各向異性的,現(xiàn)在大多數(shù)有關(guān)的研究和金屬橡膠本構(gòu)模型,都描述金屬橡膠構(gòu)件在承受成型壓縮方向荷載的性質(zhì),包括力學(xué)性能及與此有關(guān)的物理性能;但有關(guān)金屬橡膠剪切方向性能的研究并不多見。然而,在許多的實際隔震器結(jié)構(gòu)中,用于隔震的材料是工作在與其壓力成型方向垂直方向上的,因此,還應(yīng)該研究剪切載荷作用下金屬橡膠的滯變耗能性能。所以,本文針對不同成型密度的金屬橡膠試件,分別進(jìn)行靜力、動力荷載作用下的剪切性能試驗,探索循環(huán)加載次數(shù)、加載幅值、加載頻率等因素對金屬橡膠材料剪切滯變性能的影響規(guī)律,分析金屬橡膠材料滯變耗能能力和變形自復(fù)位能力,得到金屬橡膠的等效剪切模量、等效阻尼比、水平剛度與成型密度及剪應(yīng)變的關(guān)系,為建立新型金屬橡膠材料本構(gòu)模型提供數(shù)據(jù)和建模依據(jù)。1試件與儀器和試驗裝置試驗用的金屬橡膠試件采用1Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲制成。絲直徑0.2mm,螺旋卷外徑1.7mm,毛坯成型壓力50kN/cm2,采用400℃回火處理。按照不同的成型工藝和成型密度(試件密度與所用材料的密度的比值),制造邊長25mm×25mm×25mm的立方體試件,分別編號OMR-A、OMR-B、OMR-C、OMR-D,試件具體參數(shù)見表1。試驗儀器采用INSTRON4505電子式萬能材料試驗機(jī)和INSTRONFastTrackTM8801電液伺服動力疲勞試驗機(jī),沿與沖壓成型方向垂直的兩個方向(見圖1),對試件施加靜力和動力循環(huán)荷載。由試驗機(jī)上的力傳感器和位移傳感器采集力和位移的數(shù)據(jù),在常溫環(huán)境下,測試并計算金屬橡膠的抗剪強(qiáng)度、剪切變形、遲滯性能、剪切剛度等性能指標(biāo)。試驗采用的夾具如圖2所示,將試件固定在剪切夾具的連接件上,由兩片對稱的夾具相互錯動完成加載。為保證試件變形在可回復(fù)變形范圍內(nèi),應(yīng)變幅值分別為5%、10%、15%、20%,動力加載頻率為0.1、0.5、1.0、3.0Hz。加載波形為正弦波,靜力加卸載10圈,動力加卸載20圈。2結(jié)果與分析2.1試驗結(jié)果分析靜力剪切試驗:圖3為普通加工工藝試件OMR-A靜力剪切應(yīng)力-應(yīng)變遲滯特性曲線。由圖3可以看出,當(dāng)應(yīng)變幅值為15%時,最大剪應(yīng)力僅為0.31MPa。在金屬橡膠材料的壓縮試驗中,相同幅值壓應(yīng)力達(dá)到1.6MPa,說明金屬橡膠在非受壓成型面方向的抗剪強(qiáng)度比較低;壓縮荷載作用下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性,有明顯的應(yīng)變硬化特征,而在剪切荷載作用時曲線近似于線性,每種不同幅值加載時曲線斜率近似相等,無應(yīng)變硬化特征,應(yīng)變幅值對剪切剛度影響不大。靜力剪切試驗時,各圈加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)出很好的重復(fù)性,這說明加載循環(huán)次數(shù)對應(yīng)力-應(yīng)變滯變性能幾乎沒有影響。動力剪切試驗:在分析動力荷載剪切試驗結(jié)果時,由于加載圈數(shù)較多,因此選取應(yīng)變幅值為15%的3圈(第5、10、20周)遲滯回線繪在圖4中。由圖4可以看出,與靜力剪切試驗不同,動力試驗遲滯回線包絡(luò)面積隨著加載圈數(shù)的增加逐漸變小,說明普通加工工藝的金屬橡膠在動力加載條件下產(chǎn)生剪切變形時,減震性能退化,這對其作為隔震器材料承受水平地震荷載十分不利。為此,將金屬橡膠的編織成型工藝加以改進(jìn),增加成型方向的金屬絲數(shù)量,提高非受壓成型面抗剪強(qiáng)度,并將改進(jìn)工藝后的試件再次進(jìn)行剪切試驗。2.2完善加工工藝的試件切割試驗2.2.1加載頻率對試驗件的影響由于靜力試驗機(jī)和動力試驗機(jī)的機(jī)械原理相同,只是兩者的傳感器有所差異,因此在后面的試驗中均采用Instron8801液壓伺服試驗機(jī)加載。為驗證加載頻率對試件的剪切性能是否產(chǎn)生影響,首先將改進(jìn)工藝后的金屬橡膠試件OMR-B按不同頻率加載。圖5(a)、(b)、(c)、(d)分別為試件OMR-B在0.1、0.5、1.0、3.0Hz的加載頻率下,應(yīng)變幅值為5%、10%、15%、20%時的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變遲滯回線。由圖5可見,在不同剪切頻率下,同一應(yīng)變幅值的曲線基本重合。這表明,加載頻率對剪切性能影響可以忽略,即金屬橡膠的剪切耗能能力不因加載頻率的改變而變化,對試件OMR-C、OMR-D可按同一頻率進(jìn)行試驗。由于遲滯干摩擦阻尼的存在,金屬橡膠試件在正弦波加載下恢復(fù)力可能出現(xiàn)正負(fù)力值不對稱的情況,這是由材料本身的性質(zhì)決定的。2.2.2剪切性能分析為研究金屬橡膠非受壓成型面的剪切性能的差異,沿相互正交的方向分別進(jìn)行剪切加卸載試驗。圖6(a)、(b)、(c)分別為OMR-B、OMR-C、OMR-D在頻率1.0Hz、應(yīng)變幅值10%的工況下,沿ox、oy方向剪應(yīng)力-剪應(yīng)變滯回曲線。由圖6可見,試件沿上述兩個方向加載時,曲線基本重合。這說明,金屬橡膠沿兩個相互垂直的非受壓成型面方向的遲滯性能基本相同。圖7為試件OMR-B(0.23g·mm-3)、OMR-C(0.25g·mm-3)和OMR-D(0.27g·mm-3)應(yīng)變幅值20%、頻率1.0Hz、加卸載10圈的剪切遲滯曲線。由圖7可以看出,與普通加工工藝金屬橡膠的動力遲滯曲線相比,改進(jìn)工藝后金屬橡膠試件加卸載循環(huán)次數(shù)對其滯變性能基本無影響,并沒有出現(xiàn)耗能性能退化,各圈加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。這表明,改進(jìn)加工工藝后的金屬橡膠試件,剪切滯變耗能性能十分穩(wěn)定,剪切強(qiáng)度也有所提高。試驗結(jié)果還表明,金屬橡膠材料在剪切方向具有良好的彈性,當(dāng)試件應(yīng)變達(dá)到20%時依然沒有出現(xiàn)殘余變形,應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似于線性,應(yīng)變硬化特征不明顯。2.2.3克氏原螯蝦聚合反應(yīng)下的彈性遲滯回線圖8(a)、(b)、(c)為試件OMR-B、OMR-C、OMR-D在不同應(yīng)變幅值下的滯回曲線。在10圈循環(huán)加卸載滯回曲線中,選取具有代表性的一條進(jìn)行分析。由圖8可見,隨著加載幅值的增加,曲線包絡(luò)的面積越來越大,表明金屬橡膠消耗的能量也隨之增加。這是因為振幅很小時,金屬絲沒有克服它們之間的摩擦力,不會發(fā)生滑移現(xiàn)象或者滑移的現(xiàn)象表現(xiàn)得不明顯。當(dāng)加載幅值增大時,金屬絲間發(fā)生明顯的滑移,從而耗能能力增強(qiáng)。根據(jù)加載曲線接近于線性這一特征,利用試驗得到的彈性遲滯回線可近似計算其等效剪切剛度,計算公式為:Ks=(Fs2-Fs1)/(a2-a1)。式中:a2、a1為一滯回曲線中最大水平正向位移和最大水平負(fù)向位移;Fs2、Fs1為一與a2、a1對應(yīng)的剪力(見圖9)。計算試件OMR-B、OMR-C、OMR-D在不同應(yīng)變幅值下等效阻尼比數(shù)值,等效阻尼比根據(jù)公式ζ=WD(a0)/4πWs計算。式中:WD(a0)為變形幅值為a0的遲滯回線單周包絡(luò)面積;Ws為結(jié)構(gòu)最大彈性勢能,Ws=(1/2)KCa2002;a0為變形幅值;KC為等效剪切剛度。2.2.4成型密度對剪切剛度的影響表2列出3種不同成型密度試件的等效剪切剛度、等效阻尼比與應(yīng)變幅值的關(guān)系。由表2可知,隨著金屬橡膠成型密度的增加,等效剪切剛度呈現(xiàn)增大趨勢。同一應(yīng)變幅值等效阻尼比隨金屬橡膠成型密度的增加而增大。主要原因為材料成型密度越大,單位體積內(nèi)金屬絲數(shù)目也越多,在相同的變形下,發(fā)生摩擦的金屬絲的數(shù)量也越多,絲之間的摩擦力就越大,剪切剛度必然增加。這表明,隨著金屬橡膠材料成型密度的增大,沿剪切方向耗能減震效果也越好。從表2中還可看出,剪切剛度值隨著剪切應(yīng)變幅值的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢,但變化量不大,即剪應(yīng)變對側(cè)向剪切剛度影響較小。等效阻尼比隨著應(yīng)變幅值的增大而減小。2.2.5滯回曲線的測定為測試金屬橡膠的極限剪切變形能力,對試件進(jìn)行大幅值剪切試驗,圖10(a)為OMR-B在應(yīng)變幅值為30%、40%、50%、60%、70%的滯回曲線。從圖10(a)中可見,當(dāng)應(yīng)變幅值為70%時,金屬橡膠試件應(yīng)變?nèi)阅芡耆謴?fù)。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到80%時(見圖10(b)),隨著圈數(shù)的增加,滯回曲線的包絡(luò)面積逐漸減小,開始出現(xiàn)應(yīng)變退化現(xiàn)象,卸載后試件出現(xiàn)明顯的殘余變形,因此判斷試件的可回復(fù)變形限值約為80%。這說明,金屬橡膠材料在非受壓成型方向具有較強(qiáng)的抵抗剪切破壞能力,是開發(fā)隔震器的理想材料。3滯變特性分析改進(jìn)成型加工工藝的金屬橡膠,在非受壓成型方向抗剪強(qiáng)度提高,具有穩(wěn)定的滯變耗能性能。