高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:李昕龙()男硕士研究生:.通信作者:原霞()女博士副教授:.:./.高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究李昕龙原 霞王玉帅樊文欣陈 燕尹 飞(.中北大学 太原.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军事代表室 太原.陆军装备部驻南京地区军事代表局某军事代表室 山东 烟台)摘要:为探讨金属橡胶在高速冲击环境下的动态力学性能制备了圆柱实心金属橡胶试件使用分离式霍普金森压杆()开展了金属橡胶的动态压缩试验 分析了金属橡胶动态应力 应变规律探讨应变速率和弹簧卷外径对金属橡胶的动态弹性模量、动态峰值应力、能量吸收和理想能量吸收效率的影响规律 结果表明动态应力 应变曲线分为弹性形变阶段、局部塑性变形阶段和破坏阶段动态弹性模量和动态峰值应力均表现出典型的应变速率效应且均随弹簧卷外径的增大而减小 此外随着应变增大能量吸收性能随应变速率增大而逐渐变好随弹簧卷外径的减小而逐渐变好 理想吸能效率受应变速率影响很小但随应变增大而逐渐增高并趋于饱和其饱和值均大于.弹簧卷外径为 时金属橡胶的理想吸能效率最优其饱和值达到.表明金属橡胶材料在高速冲击下有良好的吸能抗冲击作用关键词:金属橡胶结构参数动态力学性能能量吸收特性分离式霍普金森杆本文引用格式:李昕龙原霞王玉帅等.高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):().:.:引言目前泡沫铝、橡胶等因其良好的吸能性能而得到广泛应用对这些材料动态力学性能的研究大多基于分离式霍普金森压杆()试验 等研究了冲击速度和相对密度对泡沫铝动态力学性能的影响结果表明 泡沫具有优异的动态力学性能 等研究了高阻尼橡胶在 高速冲击下的动态力学性能和吸能特性结果表明高阻尼橡胶具有良好的吸能性能 然而泡沫铝的弹性变形小当其受到大载荷作用时易发生脆性破坏而永久变形不能有效地承受多次冲击载荷橡胶在高低温等极限环境下稳定性差易老化 因此有必要开发一种性能全面的新型抗冲击材料金属橡胶材料是一种以高弹性细金属丝为原料经过螺旋成型、定螺距拉伸、缠绕铺层、模压成型及后续处理等工艺最终形成的一种高弹性、大阻尼材料被广泛地用作减振缓冲材料 其独特的成型工艺使金属橡胶具有其他多孔材料无法比拟的特殊力学特性如高阻尼、高弹性、刚度可设计、环境适应性强(耐高低温、抗老化、不挥发)等目前对金属橡胶以及金属橡胶构件的研究主要集中在变形机理研究、本构模型建立、准静态和动态力学特性分析 等通过计算机断层扫描分析金属橡胶的微观结构发现螺旋卷之间呈勾连、咬合和挤压状态 在承受压缩载荷时弹簧卷之间以分离、滑移和黏着 种接触状态为主这种微观组织结构的接触状态转换是造成金属橡胶宏观力学性能发生变化的最直接原因金属橡胶的减振吸能性能主要通过滑移状态来实现 等改进了小曲梁模型该模型能很好地模拟金属橡胶在单向受压状态下的应力 应变关系 曹凤利等基于变长度悬臂曲梁推导出精度更高的本构模型模型考虑了金属丝直径、弹性模量、螺旋卷直径、材料相对密度等基本的材料结构参数对金属橡胶迟滞特性的影响能够较为准确地描述金属橡胶材料承受压缩载荷时加载和卸载阶段的力学特性诸多学者 研究了结构参数对金属橡胶静态力学性能的影响规律:相对密度或者丝径越大金属橡胶弹性模量越大弹簧卷外径越大金属橡胶弹性模量越小 彭云强等利用金属减振器横向和轴向准静态力学性能数据成功拟合确定了 种金属橡胶减振器的横向和轴向载荷 位移曲线平均值和性能边界为金属橡胶减振器的选型和安全性、可靠性评定提供了重要基础数据金属橡胶的动态特性分析主要包括振动和抗冲击两大研究主题 在振动特性研究方面 等对金属橡胶进行循环动载荷试验提出了用截面畸变表示的几何系数来评估循环动载荷后的振动可靠性 等通过研究金属橡胶动态刚度和阻尼对载荷条件的敏感性总结出减振性能在很大程度上取决于预压缩和动态振幅金属橡胶构件抗冲击性能研究是金属橡胶技术研究领域的一个重要的研究方向目前多以低速冲击(冲击速度范围 /)为主 闫辉等通过冲击台对金属橡胶进行低速负载冲击试验试验结果表明金属橡胶能有效地降低冲击对系统的影响 鲍继轩等借助综合振动台试验设备对金属橡胶减振器进行跌落式冲击试验提出了一种金属橡胶减振器的冲击数值模拟方法与试验数据吻合度较高 李上洲使用自研落锤装置开展了低速冲击试验研究表明在冲击速度较低时金属橡胶的主要耗能方式为干摩擦在冲击速度较高时耗能方式不仅有干摩擦还伴随着空气阻尼和塑性变形金属橡胶主要应用于减振抗冲击领域其在高速冲击载荷下的动态特性研究尤为重要然而目前对金属橡胶在高速冲击(冲击速度/)下的抗冲击性能研究甚少 本文中通过霍普金森压杆试验探究金属橡胶的动态压缩性能发现高速冲击下(应变速率范围为 )的动态应力 应变规律与准静态试验条件下及低速冲击试验条件下的应力 应变规律有较大不同可见金属橡胶是一种应变速率敏感材料 继而分析了高应变速率动态压缩时的能量吸收性能以及理想吸能效率结果表明在金属兵 器 装 备 工 程 学 报:/./橡胶在高速冲击下仍具有良好的吸能减振性能是一种优良的冲击防护材料通过高应变速率压缩试验方法测试金属橡胶动态压缩力学特性并探讨其吸能特性对于金属橡胶在高速冲击防护领域的应用有极大的促进作用 金属橡胶高速冲击试验.金属橡胶试件金属橡胶试件为图 所示的圆柱实心体直径约为 厚度约为 相对密度约为.材质为 不锈钢丝()选用丝径为.其基本参数见表 选用的螺旋卷外径分别为:、图 金属橡胶试件外形尺寸.表 试件材料参数 丝材密度/()抗拉强度/屈服强度/弹性模量/.金属橡胶试件成型过程如下:)制备不同外径的弹簧卷如图 从左至右试件所用弹簧卷外径数据依次为 、图 弹簧卷外径尺寸.)将弹簧卷定螺距拉伸后缠制好的毛坯放入设计好的冲压模具中进行冷冲压成型成型后的金属橡胶试件见图 图 多卷径金属橡胶试件.分离式霍普金森压杆试验分离式霍普金森压杆()试验是研究材料动态力学性能的重要试验方法高应变速率()下金属橡胶的压缩性能反映了其在动态压缩载荷下的塑性流动、应变速率效应等力学特征是金属橡胶用于抗冲击结构设计、优化和制造中的关键材料参数是建立金属橡胶动态本构模型的重要参量 试验装置示意见图 主要由气枪、子弹(撞击杆)、入射杆、透射杆、吸收杆、阻尼器及数据采集系统等组成 子弹、入射杆、透射杆、吸收杆的长度分别是 、其参数见表 数据采集系统主要由应变片、动态应变仪、示波器等部分组成用于测试和记录试验过程中波导杆上的入射波、反射波和透射波信号图 试验装置示意图.表 压杆参数 波导杆材质弹性模量/直径/铝合金 试验装置实物见图 入射杆上粘贴普通电阻应变片透射杆上粘贴精度更高的半导体应变片且应变片距试件距离相等 试验时在待测试件表面涂抹凡士林并用反射杆和透射杆将待测试件夹持夹持方式见图 李昕龙等:高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究图 试验装置.图 试件夹持方式.通过实验采集脉冲信号入射波、反射波和透射波基于一维弹性应力波和试样应力、应变分布均匀性假定采用被广泛使用的二波法进行试件的应力、应变与应变速率计算转化公式为:()()()()()()()()式()中:为应变速率 为应变 为应力 为杆的弹性波速 为金属橡胶试件成型方向高度为透射波信号为透射波信号 为波导杆所用材料的弹性模量 为波导杆横截面积为试件成型方向截面积试验通过设置气枪气压来控制应变速率试验气压设置为.、.、.、.具体试验参数见表 表 金属橡胶试件动态压缩试验参数 组别弹簧卷外径/气压/速度/()应变速率/.续表(表)组别弹簧卷外径/气压/速度/()应变速率/.试验结果试验生成的入射信号、反射信号和透射信号的典型原始波形曲线见图 金属橡胶受高速冲击时能依靠自身形变暂时将部分能量储存因而透射波信号相较于反射波信号出现一定的相位滞后图 试验典型波形.种弹簧卷外径金属橡胶试件经最大气压冲击后的形变情况见图 通过观察发现 种试件发生不同程度的膨胀破坏随着弹簧卷外径增大试件膨胀的程度越大 这是因为弹簧卷外径越大线匝与线匝间的勾连现象就越少线匝间互相约束的作用就越弱最终导致更大卷径的金属橡胶抗形变能力更差一些承载能力也更弱一些图 试件形变情况.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./动态压缩特性分析.动态应力应变曲线动态压缩试验金属橡胶动态应力应变曲线见图 在动态压缩早期金属橡胶变形较小弹簧卷匝之间尚未产生有效的滑动摩擦此时处于弹性形变阶段应力与应变为线性关系随着应力的增大金属橡胶进一步变形部分弹簧卷匝开始互相滑移、挤压金属橡胶中具有弹性的弹簧结构开始被破坏产生局部塑性变形弹性模量开始减小 并且随应力的继续增大更多的弹簧卷匝发生滑移、摩擦金属橡胶塑性变形加剧 但是由于金属橡胶内部仍存在较多未发生塑性形变的弹簧卷匝同时金属橡胶线匝间的勾连咬合使得金属橡胶仍具有承载能力当应力增大至金属橡胶内大部分弹簧结构已被破坏时此时金属橡胶达到承载极限应力达到最大值 之后金属橡胶开始进入到破坏阶段承载能力降低应力开始减小图 动态应力应变曲线.应变速率对动态压缩特性的影响金属橡胶动态弹性模量与应变速率的关系以及拟合曲线见图 图 动态弹性模量应变速率曲线.由拟合曲线趋势可见金属橡胶动态弹性模量随着应变速率增加而线性增加这是因为加载速率比较大时金属橡胶形变反应时间短来不及产生大的形变因此整体表现的更“硬”而且加载速率越大金属橡胶的这种变“硬”现象更加明显即表现出典型的应变速率效应 相比于组 和组 组 和组 中金属橡胶的弹簧卷外径较小线匝数量多线匝与线匝间的接触点多基于变长度悬臂曲梁理论接触点分割的悬臂曲梁长度更短数量更多其硬特性特征明显动态弹性模量更大应变速率效应更为明显因而图中组 和组 的拟合线斜率更大 金属橡胶动态峰值应力与应变速率的关系以及拟合曲线见图 金属橡胶动态峰值应力随应变速率的增加而线性增加仍表现出应变速率效应 由拟合线斜率得金属橡胶弹簧卷外径对动态峰值应力应变速率的变化趋势几乎无影响 推测其可能的原因为:对于不同弹簧卷外径的金属橡李昕龙等:高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究胶尽管其小曲梁的数量随弹簧卷外径增加而减少但是由于金属橡胶试件的相对密度一致在发生局部塑性形变到完全塑性形变过程中不同卷径的弹簧卷匝因滑移挤压使弹簧结构失效的占比变化规律是相似的 因此在峰值应力处对于不同卷径的金属橡胶而言未失效的弹簧结构所占比例也是大致相同的这可能最终导致动态峰值应力应变速率的变化趋势对弹簧卷外径并不敏感图 动态峰值应力应变速率曲线.弹簧卷外径对动态压缩特性的影响金属橡胶动态弹性模量与弹簧卷外径的关系以及拟合曲线见图 图 动态弹性模量弹簧卷外径曲线.金属橡胶动态弹性模量随弹簧卷外径的增大而减小由于线匝直径增大使得线匝数量减少线匝间的接触点变少悬臂曲梁的长度增加因此软特性特征愈加明显使动态弹性模量减小 从拟合曲线走向得动态弹性模量随弹簧卷外径增大的变化趋势是先平缓下降继而陡峭最终再趋于平缓 对于丝径为.、外径为 的弹簧卷中径为.其弹簧指数为.弹簧指数较小使得弹簧卷的绕制较为不易对于外径为 的弹簧卷其弹簧指数为.弹簧指数较大会使绕制的弹簧卷结构稳定性下降此外弹簧卷外径值一般控制在金属丝直径的 倍这 种弹簧卷外径尺寸较为靠近边界值的情况使得金属橡胶动态弹性模量的边际效应加剧即当弹簧卷外径尺寸过小或者过大时高速冲击下金属橡胶的动态弹性模量均向两端趋于稳定 此外可以预测的是弹簧卷外径处于 之间时金属橡胶动态弹性模量随弹簧卷外径有较大变化且随着应变速率的增加这种趋势愈加明显 金属橡胶动态峰值应力与弹簧卷外径的关系以及拟合曲线见图 动态峰值应力随弹簧卷外径的增大而减小且逐渐趋于平缓 这是因为随弹簧卷外径增大金属橡胶的弹簧线匝数量减少线匝间接触点变少导致悬臂曲梁数量减少、长度增加这使得金属橡胶的软特性特征就越明显此外弹簧卷外径越大线匝与线匝间的勾连、约束作用就越弱承载能力也会下降最终导致其动态峰值应力减小 动态峰值应力是金属橡胶破坏变形前达到的最大应力值当弹簧卷外径较大时丝与丝均紧密贴合并互相挤压金属橡胶结构达到最致密状态此时大外径弹簧卷的形状结构几近失效已无法对金属橡胶的动态峰值应力性能造成过多的影响因此当弹簧卷增大时动态峰值应力逐渐趋于平稳图 动态峰值应力弹簧卷外径曲线.能量吸收特性使用能量吸收和理想吸能效率来表征金属橡胶的吸能性能能量吸收指金属橡胶在一定应变压缩时单位体积内吸收的能量用来评价材料的能量吸收能力即动态应力应变曲线下的面积值由曲线积分计算得到能量吸收能力 公式如下:()式()中:表示任意时刻应变理想吸能效率是指材料实际吸收的能量与理想条件下材料吸收的能量之比 理想吸能效率 定义如下:()式()中:为任意时刻应变为峰值应力.应变速率对吸能特性的影响图 为不同应变速率下金属橡胶的能量吸收曲线 由兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图可知能量吸收随应变增大而增大这是因为金属橡胶就是一种依靠自身形变来吸收冲击能量的材料在其被破坏之前形变越大吸能就越多 在应变初始阶段金属橡胶变形量小能量吸收缓慢不同应变速率下金属橡胶能量吸收性能差异不大随着应变增大不同应变速率下金属橡胶能量吸收性能的差异开始显现具体表现为在相同应变值下金属橡胶的能量吸收性能随应变速率的增加而变好 这是因为试验气压越高入射杆获得的动能就越大相同应变下金属橡胶吸收的冲击能量也越多 图 为不同应变速率下金属橡胶的理想吸能效率曲线 理想吸能效率随应变增大而逐渐增高最后在最大值处趋于平稳 随着形变量的增加金属橡胶吸收的能量越多因而理想吸能效率也一直处于上升趋势 在破坏阶段后期金属橡胶性能逐渐接近极限理想吸能效率趋于饱和图 能量吸收曲线.图 理想吸能效率曲线.李昕龙等:高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究 从图 可看出不同应变速率下的理想能量吸收率的饱和值较为集中即理想吸能效率受应变速率影响很小可见饱和理想吸能效率是金属橡胶材料的固有属性 此外由于.气压下金属橡胶吸收能量最慢因而在理想能量吸收率上升阶段.气压下理想能量吸收率的值略低于其他气压下的值但是最终都趋向同一水平.弹簧卷外径对吸能特性的影响为探究弹簧卷外径对吸能特性的影响规律提取图 中能量吸收曲线的稳定斜率值(即应变大于.时)来表征金属橡胶吸收能量的性能绘制能量吸收速率与弹簧卷外径关系趋势图见图 由图得弹簧卷外径越小能量吸收性能越好即相同应变时吸能更多 这是因为金属橡胶弹簧卷外径越小线匝间接触点越多整体结构越“致密”线匝间滑移摩擦现象发生的就更为频繁摩擦耗能的速率就更大图 能量吸收速率弹簧卷外径.图 为理想吸能效率的饱和值(即理想吸能效率最终趋于平稳的值)与金属橡胶弹簧卷外径的关系图 理想吸能效率饱和值弹簧卷外径.由图 可见不同弹簧卷外径金属橡胶的理想吸能效率的饱和值均大于.处于较高效率水平这说明金属橡胶材料是一种优良的吸能材料有着很好的抗冲击性能 特别地弹簧卷外径为 时金属橡胶理想吸能效率的饱和值最大最大值为.其次是 和 弹簧卷外径为 时最小 这表明理想吸能效率与弹簧卷外径的关系并非简单地递增或递减而是在 处达到理想吸能效率的峰值 结论为探讨金属橡胶在高速冲击环境下的动态力学性能制备了多种弹簧卷外径的金属橡胶试件使用霍普金森压杆开展了金属橡胶的动态压缩试验 分析了金属橡胶的动态应力应变关系、能量吸收规律和理想能量吸收效率规律 主要结论如下:)金属橡胶在动态压缩条件下的动态应力应变曲线分为弹性形变阶段、局部塑性变形阶段和破坏阶段)金属橡胶的动态弹性模量和动态峰值应力均表现出应变速率效应且均随弹簧卷外径的增大而减小)能量吸收随应变速率增大而增大 在应变初始阶段金属橡胶能量吸收性能随应变速率变化不明显 随着应变增大应变速率越大能量吸收性能越好能量吸收性能随弹簧卷外径的减小而逐渐变好)理想吸能效率随应变增大而逐渐增高最后趋于饱和其值均大于.表明金属橡胶材料有良好的吸能抗冲击性能理想吸能效率是金属橡胶材料的固有属性受应变速率影响很小弹簧卷外径为 时金属橡胶的理想吸能效率最优其次是 和 最后是 参考文献:.():.白鸿柏.金属橡胶材料及工程应用.北京:科学出版社.:.张大义夏颖张启成等.金属橡胶力学性能研究进展与展望.航空动力学报():.():.:():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.():.曹凤利白鸿柏任国全等.基于变长度悬臂曲梁的金属橡胶材料本构模型.机械工程学报():.():.():.:.王瑞瑞.金属丝网橡胶阻尼材料的静动态力学特性试验研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:./():.吴荣平白鸿柏路纯红.环形金属橡胶的径向压缩性能及力学模型分析.机械科学与技术():.():.马艳红郭宝亭朱梓根.金属橡胶材料静态特性的研究.航空动力学报():.():.彭云强贾东钟卫洲等.金属橡胶减振器准静态加载力学性能研究/.航空动力学报:./.:.:.:.闫辉姜洪源刘文剑等.某飞行器用金属橡胶材料抗冲击实验研究.功能材料():.():.鲍继轩原霞薛双桥等.金属橡胶减振器抗冲击特性有限元仿真研究.包装工程():.():.李上洲.低速冲击载荷作用下金属橡胶材料耗能机理及试验研究.福州:福州大学.:.卢成壮李静媛周邦阳等.金属橡胶的刚度特性和阻尼试验研究.振动与冲击():.():.赵帅.冲击载荷作用下金属丝网橡胶缓冲器实验与仿真研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:.宋力胡时胜.数据处理中的二波法与三波法.爆炸与冲击():.():.:.:.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学 教授)责任编辑 涂顺泽李昕龙等:高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究