靜動(dòng)力荷載下不銹鋼絲金屬橡膠的剪切力學(xué)性能1)

趙亞哥白 叢欣建

(吉林大學(xué)，長春，130026)(杭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心)

張新 毛晨曦 李素超

(中建一局華中建設(shè)有限公司)(中國地震局工程力學(xué)研究所)(哈爾濱工業(yè)大學(xué))

金屬橡膠材料，因其獨(dú)特的干摩擦阻尼性能，在阻尼減震結(jié)構(gòu)中得到了較好的應(yīng)用。用于成型的金屬絲螺旋卷材料通常為不銹鋼絲(如1Cr18Ni9Ti)［1］，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)［2］。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［3］。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［4］;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(shí)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(dòng)力荷載作用下的剪切性能試驗(yàn)，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 材料與方法

試驗(yàn)用的金屬橡膠試件采用1Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲制成。絲直徑0.2 mm，螺旋卷外徑1.7 mm，毛坯成型壓力50 kN/cm2，采用400℃回火處理［5］。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25 mm×25 mm×25 mm的立方體試件，分別編號OMR－A、OMRB、OMR－C、OMR－D，試件具體參數(shù)見表1。

表1 金屬橡膠試件參數(shù)

試驗(yàn)儀器采用INSTRON4505電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)和INSTRON Fast Track TM8801電液伺服動(dòng)力疲勞試驗(yàn)機(jī)，沿與沖壓成型方向垂直的兩個(gè)方向(見圖1)，對試件施加靜力和動(dòng)力循環(huán)荷載。由試驗(yàn)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(jì)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(yàn)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(cuò)動(dòng)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(dòng)力加載頻率為0.1、0.5、1.0、3.0 Hz。加載波形為正弦波，靜力加卸載10圈，動(dòng)力加卸載20圈。

圖1 金屬橡膠試件受力方向

圖2 剪切試驗(yàn)夾具示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 普通加工工藝試件剪切試驗(yàn)

靜力剪切試驗(yàn):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(shí)，最大剪應(yīng)力僅為0.31 MPa。在金屬橡膠材料的壓縮試驗(yàn)中［6］，相同幅值壓應(yīng)力達(dá)到1.6 MPa，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(shí)曲線近似于線性，每種不同幅值加載時(shí)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(yàn)時(shí)，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。

圖3 試件OMR－A靜力剪切試驗(yàn)

動(dòng)力剪切試驗(yàn):在分析動(dòng)力荷載剪切試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，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(yàn)不同，動(dòng)力試驗(yàn)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(dòng)力加載條件下產(chǎn)生剪切變形時(shí)，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(yàn)。

圖4 試件OMR－A動(dòng)力剪切試驗(yàn)

2.2 改進(jìn)加工工藝試件剪切試驗(yàn)

2.2.1 加載頻率對遲滯特性的影響

由于靜力試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)力試驗(yàn)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(yàn)中均采用Instron8801液壓伺服試驗(yàn)機(jī)加載。為驗(yàn)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、3.0 Hz的加載頻率下，應(yīng)變幅值為5%、10%、15%、20%時(shí)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(yàn)。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［7］。

2.2.2 加載方向及加載次數(shù)對遲滯特性的影響

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(yàn)。圖6(a)、(b)、(c)分別為OMR－B、OMR－C、OMR－D在頻率1.0 Hz、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(gè)方向加載時(shí)，曲線基本重合。這說明，金屬橡膠沿兩個(gè)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(0.23 g·mm－3)、OMR－C(0.25 g·mm－3)和OMR－D(0.27 g·mm－3)應(yīng)變幅值20%、頻率1.0 Hz、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(dòng)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。

圖5 試件OMR－B不同頻率τ－γ遲滯回線

圖6 試件沿x、y方向τ－γ遲滯回線

圖7 試件加卸載10圈τ－γ遲滯回線

試驗(yàn)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(shí)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 加載幅值的影響

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?yàn)檎穹苄r(shí)，金屬絲沒有克服它們之間的摩擦力，不會(huì)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(shí)，金屬絲間發(fā)生明顯的滑移，從而耗能能力增強(qiáng)［8］。

圖8 試件不同幅值τ－γ遲滯回線

根據(jù)加載曲線接近于線性這一特征，利用試驗(yàn)得到的彈性遲滯回線可近似計(jì)算其等效剪切剛度，計(jì)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(jì)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(jì)算［1］。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)KCa20;a0為變形幅值;KC為等效剪切剛度。

2.2.4 成型密度對遲滯特性的影響

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?yàn)椴牧铣尚兔芏仍酱螅瑔挝惑w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。

圖9 不同成型密度試件壓縮τ－γ遲滯回線比較

表2 不同密度試件的等效剪切剛度和等效阻尼比與應(yīng)變幅值的關(guān)系

2.2.5 剪切極限變形

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(yàn)，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(shí)，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(shí)(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 結(jié)論

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。

金屬橡膠試件承受剪切荷載變形時(shí)，試件滯變耗能能力和阻尼性能隨成型密度、變形幅值增加而增大;加卸載循環(huán)次數(shù)、加載方向和加載頻率對金屬橡膠試件滯變特性均無影響。

金屬橡膠試件承受剪切荷載時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線加載段近似于線性，無明顯應(yīng)變硬化特征。剪切剛度和等效阻尼比隨著剪切應(yīng)變幅值的增大而減小。

金屬橡膠試件剪切可回復(fù)變形限值約為80%，具有良好的彈性和較強(qiáng)的抵抗剪切破壞能力。

圖10 試件OMR－B大幅值剪切試驗(yàn)

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