丝网编织金属橡胶的静态力学性能研究

邹广平，程贺章，唱忠良，王鹏，王瑞瑞

（1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

丝网编织金属橡胶的静态力学性能研究

邹广平1，程贺章1，唱忠良1，王鹏1，王瑞瑞2

（1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.中国运载火箭技术研究院，北京100076）

针对沉孔型金属橡胶制品展开研究，采取了控制变量和对比分析的2种研究方法，对金属橡胶制品的静态压缩和剪切性能进行了系统全面的实验研究。通过实验结果给出了在不同结构参数下金属橡胶制品静态性能的变化关系，同时得到了金属橡胶制品在压缩过程中的线性-软特性-硬特性的变化过程。针对不同状态下的减振耗能情况对金属橡胶减振的机理进行深入的剖析，进而得知相对密度与变形幅值是影响金属橡胶减振器减振能力的2个重要参数。

金属橡胶；阻尼材料；力学特性；迟滞回线；压缩性能；刚度

随着现代工业的发展，振动对航空航天、舰船等高端技术的影响尤为突出［1］。舰船领域中使用性能优越的隔振材料不仅能起到减振的作用，还能减少噪音达到隐身的效果。传统振动的橡胶阻尼材料只能适用于较窄的温度范围，并且抗腐蚀能力差，易耗损［2］。现阶段急需发展一种能长期适应于较差环境下的隔振材料。金属橡胶阻尼材料作为一种金属制品且具有橡胶特性的阻尼材料，在现代隔振器中成为普通橡胶阻尼材料的最佳替代品，特别是应用到舰船领域中可以起到很好的耐腐蚀、降噪的作用［3］。目前，国内对金属橡胶的研究主要集中在基础理论的探讨、成型工艺的研究以及满足特殊要求而进行的专项攻关［4⁃7］。本文针对金属橡胶的静态性能进行了深入研究。现有的金属橡胶领域中，还没有统一的标准，为了使本文研制的材料尽早应用于实际工况中，在具体试验过程中与已应用于实际工况下的国外某型号金属橡胶进行静态试验对比，从而分析金属橡胶的静态性能。同时发现金属橡胶在受到静态作用力时产生了非线性特性，这对其应用产生很大的影响。因此，对丝网编织金属橡胶的不同因素以及不同幅值的静态试验对比，有助于其更好地应用到实际工况中。

1 试验材料及试验仪器

1.1 试验材料

本试验方案中采用的材料为相对密度为0.2，丝径为0.2 mm的金属丝材，制作形状采用统一规格的长方体外形。试件的具体形状及尺寸如图1所示。

图1 试件几何外形Fig.1 Geometrical shape of the specimen

试验所用的金属橡胶试件都是依据丝网编织工艺自发研制的。材料实物和纹路如图2、3所示。图2为试验用金属橡胶材料实物图，其中（a）、（b）为纹路为15°的试件。D⁃F1代表某进口方形试件；FD⁃F1为自发研制的方形金属橡胶试件；FD⁃F0为纹路为0的试件。纹路如图3所示。

图2 金属橡胶试件Fig.2 The specimen of the metal rubber

图3 金属橡胶纹路示意图Fig.3 Lines grain maps of the metal rubber

1.2 试验仪器金属橡胶材料的静态压缩和剪切试验是在IN⁃STRON4505电子式万能试验机上进行的，试验机对金属丝网橡胶阻尼材料进行压缩和剪切试验，由于试验机没有合适的夹头，所以对试验所用夹头进行了专门的设计并顺利安装，图4为压缩和剪切试验夹头安装的试验局部图。

图4 试件静态试验Fig.4 Static test of the specimen

2 静态试验过程及结果分析

2.1 静态压缩试验

本试验对设计的丝网编织沉孔型金属橡胶制品FD⁃F0、FD⁃F1型号与进口的D⁃F1型号进行不同变形幅值下的压缩实验，3种型号的金属橡胶制品的相对密度为0.2，丝经为2 mm，具体结构尺寸大小为29.2× 29.2×19 mm，其中D⁃F1与FD⁃F1的纹路角度是15°，而FD⁃F0的纹路角度是0。

对以上介绍的不同的材料分别沿成型方向进行变形幅值为5%、10%、15%、20%的压缩试验，其中相对密度值为金属橡胶材料的成型密度与金属丝材料密度的相对比值。得到的试验结果如图5所示。

图5 不同工艺元件的静态压缩试验Fig.5 Static compression of different crafts specimens

图5 中（a）、（b）、（c）分别代表进口材料、无纹、15°斜纹材料，这3种材料受到沿成型方向变形幅值为5%、10%、15%、20%压力时的应力-应变迟滞回线。在幅值较小的回线中（5%变形幅值）试件仅表现出了线性特点，在幅值较大的滞回曲线中体现出了硬特性特点。可以看出不同试件在不同外加载荷作用下，金属橡胶材料均有一定的滞变耗能现象。体现了试件的阻尼特性。材料的阻尼特性是由于材料内部结构的弹簧卷之间的挤压和摩擦所产生的。

图5（d）表示的是变形幅值为15%时，通过对3种试件的应力-应变迟滞回线的比较。可以看出无纹工艺金属橡胶材料的刚度最小，线性明显。在相对密度、相同体积的情况下，本文所研制的斜纹工艺金属橡胶材料与进口试件相比，总体相差不大，但在变形超过10%情况下刚度明显变大，硬特性特征表现明显。

本文在研究丝网编织金属橡胶材料过程中，还分别设计了相对密度为FD⁃FX0＝0.18、FD⁃F1＝0.2、FD⁃F1X1＝0.25，FD⁃F1X2＝0.3，丝径为0.2 mm的金属橡胶样品试件，具体结构尺寸大小均为29.2×29.2×19 mm，用来研究不同相对密度对其压缩特性的影响。

同时设计了丝径分别为FD⁃F1D1＝0.1 mm、FD⁃F1D2＝0.15 mm、FD⁃F1＝0.2 mm，相对密度均为0.2大小的试件，而试件的具体结构尺寸大小同样均为29.2× 29.2×19 mm，用来研究不同丝径对其压缩特性的影响。

通过压缩各个试件在变形为5%、10%、15%、20%的载荷下的图可以看出趋势基本相同，在此不再一一列举，图6（a）、（b）表示的是幅值在15%变形下，不同相对密度，不同丝径的金属丝网橡胶阻尼材料的压缩应力-应变图。

由图6（a）可以看出随着相对密度的增加金属丝网橡胶的阻尼材料的切线模量在增加，阻尼特性越明显，硬特性也越明显，对于小相对密度的试件在15%幅值的情况下只表现出了线性特性。这是因为相同外形尺寸，相对密度越大，层与层之间的丝缝隙越密集，这样挤压越明显，导致硬特性效果明显。图6（b）可以看出随着丝径的增大金属丝网橡胶阻尼材料的切线模量在增加，阻尼特性越明显，硬特性也越明显。这是由于金属丝材质越硬、刚度越高。本身的弹性模量就很高，导致丝径越大的材料非线性弹性模量变化比较大。

图6 不同参数的静态压缩试验Fig.6 Static compression of different parameters

2.2 静态剪切试验

由文献［8］可知，金属橡胶在垂直于成型方向上的2个方向均匀性能良好，因此对材料的剪切试验只要选取在水平方向上的任意一个方向即可，现对以上参数的金属橡胶试件也分别沿成型方向进行变形幅值为5%、10%、15%、20%的剪切试验。试验结果如图7。

图7（a）～（c）表示的是试件D⁃F1、FD⁃F0和FD⁃F1这3种不同变形幅值下的剪切应力-应变滞回曲线。材料的剪切特性和压缩特性并不相同，但都表现出滞回耗能现象。金属橡胶材料的非线性是由材料内部金属丝不同的变形造成的，而各向异性是由材料制作工艺中受压面和非受压面的变化规律不同造成的。故金属橡胶材料具有非线性和各向异性的特点。试件在剪切作用下，同样表现出一定的迟滞性能，但没有明显的硬特性。迟滞性能是由内部弹簧间的摩擦作用，无硬特性是由材料内部没有出现挤压现象。

图7（d）表示的是变形幅值为15%时，3种试件的剪切应力-应变迟滞回线的比较。可以看出采用无纹工艺的材料刚度明显弱于其他2个试件。进口试件在变形比较大的工况下，剪切模量稍大于自行研制的材料。综上，采用纹路工艺可增强材料的压缩和剪切性能。

图7 不同工艺试件沿剪切应力-应变曲线Fig.7 Shear stress⁃stain curves of different craft specimens

3 金属橡胶各阶段压缩性能分析

金属橡胶材料由其特殊的制备工艺可知，当施加载荷初级阶段，材料内部的金属丝产生很小的滑移，材料中弹簧受到变形，刚度几乎不会发生变化，力与位移呈线性，阻尼很小。当施加的载荷继续增大时，材料中的弹簧相互接触，并产生了滑移，但此时滑移的程度很小，从而导致刚度下降，力与位移呈现软特性，阻尼增加。于此同时，滑移产生了摩擦力，耗散了能量。当载荷继续增大时，材料中的弹簧由滑移变成了挤压，刚度增大，此时的力与位移呈现硬特性。因此当加载的幅值不断增大时，其力与位移变化呈现线性-软特性-硬特性的变化。材料的阻尼与刚度呈现非线性特性。

在以上的试验中可以看出，材料在压缩过程中没有发生明显的软特性。这是由于相对密度越大的金属橡胶硬特性越明显。本试验材料相对密度较低，本身软特性不明显，且由于试验仪器精度的问题，不易发觉，因此需要分阶段对金属橡胶进行试验用于测试其不同阶段的压缩性能。

本文同时对试件FD⁃F1进行压缩试验，该试验给出的控制循环力为30、150、850 N等3种不同压缩载荷，并且在每种载荷状态下进行小范围载荷下循环压缩。金属橡胶材料变形受力可以分为3个阶段：

1）第1阶段为初期加载线性变形阶段。阻尼材料受力基本为线性。随着载荷逐渐增大，材料内部弹簧丝之间开始接触，并且丝与丝之间的摩擦力逐渐增大，但还没有超过最大静摩擦力。金属橡胶材料的刚度比较小，变形幅值比较大。

2）第2阶段为金属丝之间的滑移阶段。随着载荷增大，金属丝之间的摩擦力增大，直到超过了金属丝之间的最大静摩擦力。丝与丝之间开始滑移，在此阶段，阻尼材料出现显著的刚度软特性，但是金属橡胶材料的软特性范围比较小，随着相对密度的减小软特性越不明显［9⁃10］。

3）第3阶段为金属丝之间的硬挤压。随着载荷的增大，金属丝之间出现了挤压，阻尼材料出现了显著的刚度硬特性。此时材料的变形比较小，但是刚度急剧增加，并且硬特性的阶段最长。

图8 不同幅值情况下的压缩试验Fig.8 Compression of different amplitude specimens

如图8所示，金属橡胶材料内部弹簧金属丝之间不发生明显滑移的情况下进行的小幅值变形循环试验，在图8中我们可以看到，金属橡胶材料的承受载荷从0预加载至30 N，然后开始围绕静力平衡点30 N加载卸载到30 N左右。阻尼材料对应的变形循环为0→0.129 mm→0.991 7 mm。

如图8底部可以看出：阻尼材料在这种小变形的情况下，刚度特性与初始阶段近似，由于材料具有较高的刚度特性，并且有利于系统的稳定性，小幅值下的变形应用在爆炸冲击振动隔振的隔振器中比较适宜。

如图8中部所示，在对丝网编织金属橡胶材料进行从0预加到150 N，然后围绕静力平衡点150 N，加载卸载50 N左右，阻尼元件从100 N→200 N对应的变形循环是2.034 7 mm→2.371 8 mm。此段加载处于阻尼材料的软特性阶段。材料之间的金属丝接触并且出现滑移，刚度显著降低，并有大幅值滑移变形的曲线。此阶段的表现出的软特性，在实际应用中应引起注意。

如图8上部所示，在对金属丝网橡胶阻尼材料进行从0预加到850 N，然后围绕静力平衡点850 N，加载卸载50 N左右，阻尼元件从800 N→900 N对应的变形循环是3.935 mm→3.947 2 mm。此段加载处于阻尼材料的硬特性阶段。材料之间的金属丝接触并且出现挤压状态，刚度显著增大，并有变形幅值明显减小曲线。

4 结论

1）通过对不同工艺的金属橡胶进行静态压缩和剪切试验可知，纹路工艺大大改进了金属橡胶的刚度，且通过与国外型号的金属橡胶进行对比试验，可以看出本文研制的同参数的金属橡胶相差不大，能适应一定的工况。

2）金属橡胶的变形受力阶段可分为3个阶段，分别为线性-软特性-硬特性阶段的变化过程。在这3个阶段的变化过程中，由于金属丝之间的滑移从而导致刚度变小、同时减振耗能情况也会比较明显。

3）分阶段分析不同载荷下金属橡胶的压缩性能，可以看出金属橡胶在冲压成型方向上呈现非线性且与压缩幅值相关，在垂直于成型方向上的金属橡胶性能与成型方向有不同的特性，金属橡胶具有各向异性。

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Research on static mechanical properties of metal rubber made of wire mesh

ZOU Guangping1，CHENG Hezhang1，CHANG Zhongliang1，WANG Peng1，WANG Ruirui2
（1.College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Chinese Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The counter bore type metal rubber product was researched and static compress experiment and shear test were carried on it.Comparative analysis and control variable methods were taken to study the static compressive property and shear property of metal rubber product systematically and comprehensively.Static performance changes of metal rubber with different structure parameters were comprehensively analyzed by experimental results.The change process of linear characteristics，soft characteristics and hard characteristics was obtained in the static com⁃pressing process of metal rubber product.The vibration attenuation mechanism of metal rubber was analyzed deeply according to the energy dissipation in different states.It can be ascertained that relative density and deformation are two important parameters affecting damping capacity of metal rubber damper.

metal rubber；damping material；mechanical properties；hysteresis loops；compressive property；stiffness

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201401048

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1458.003.html

V252.1

A

1006⁃7043（2015）03⁃0332⁃05

2014⁃01⁃15.网络出版时间：2015⁃01⁃09.基金项目：国家自然科学基金资助项目（11372081）.

邹广平（1963⁃），男，教授，博士生导师.

邹广平，E⁃mail：gpzou＠hotmail.com.