减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析

罗文波, 姜 侠, 胡小玲, 黄友剑

(1. 湘潭大学 岩土力学与工程安全湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411105;2. 湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105)

1 试验

1.1 材料

试验所用橡胶材料由中车株洲时代新材料科技股份有限公司提供。材料基本配方为:100 phr 天然橡胶(泰国RSS3)、20 phr炭黑(N550)、10 phr氧化锌、5 phr抗氧化剂、2.5 phr硫磺、2 phr硬脂酸、2 phr微晶蜡、2 phr固体古马隆、1.4 phr硫化活化剂。

1.2 疲劳生热测试

为了试验测得材料在疲劳载荷作用下的黏滞生热规律，在环境温度为28.5℃以及不同载荷频率和载荷幅值条件下，采用Gabo Eplexor 500 N动态黏弹谱仪对直径10 mm高10 mm的圆柱试样施加正弦波形循环应变。试样受到20%的静态压缩应变和应变幅值分别为1%、2%、3%、4%和5%的动态应变作用，载荷频率分别为10 Hz、30 Hz、50 Hz和70 Hz。循环加载过程中，利用ThermaCAM SC3000红外热像仪对试样表面温度进行实时测温，记录温度随时间的变化过程，热像仪的热灵敏度<0.02℃(30℃时)，测温精度为读数范围的±2%或±2℃。试样和测试设备，如图1所示。

图1 试样与试验设备

图2为加载频率为50 Hz时不同动态应变幅值条件下试样表面的温升历程曲线，图3为给定动态应变幅值为5%时，不同载荷频率条件下试样表面温升历程曲线。可见由于黏滞损耗引起的自热温升随载荷频率和动态应变幅值的提高而增大，在给定载荷频率和动态应变幅值时，试验初期试样表面温度上升较快，随时间逐渐达到稳态平衡值。

图2 不同应变幅值下的温升曲线

图3 不同载荷频率下的温升历程曲线

2 理论模型

2.1 温度场控制方程

由热力学第一定律和第二定律，黏弹性材料变形过程的温度场控制方程为

(1)

(2)

由于橡胶材料具有黏弹性，循环变形过程的应力-应变曲线形成滞回圈，滞回圈的面积即为一个周期变形中单位体积的黏滞耗散热，由下式给出：