金屬橡膠顆粒靜態特性試驗

洪 杰 朱 彬 馬艷紅 陳璐璐

（北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191）

金屬橡膠顆粒靜態特性試驗

洪 杰 朱 彬 馬艷紅 陳璐璐

（北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191）

針對目前航空航天領域板殼結構較多，其模態成分密集、振動復雜等問題，提出了一種可用于各種復雜結構振動抑制的新型金屬橡膠構件——金屬橡膠顆粒.為了解及掌握這種新型金屬橡膠構件的性能和設計規律，開展了有關金屬橡膠顆粒的靜態性能試驗研究.通過試驗測量了金屬橡膠顆粒的靜態遲滯回線，獲得了金屬橡膠顆粒的剛度和阻尼的范圍.通過對比不同參數下的剛度和阻尼的試驗結果，總結材料參數（絲材、螺旋卷和相對密度）和工藝參數（變形量和安裝密度）等對金屬橡膠顆粒的剛度特性和阻尼性能的影響規律.金屬橡膠顆粒靜態特性試驗研究為金屬橡膠顆粒的設計和工程應用奠定了基礎.

金屬橡膠顆粒;靜態試驗;剛度特性;阻尼特性

板殼結構由于其質量輕、承載能力大等優點，在航空、航天發動機中被廣泛采用，但是其模態十分密集，振型復雜;高溫的工作環境，材料的性能下降，嚴重影響抗疲勞破壞能力不足.因此采用阻尼技術來削弱振動應力水平.金屬橡膠材料是將金屬絲卷成螺旋形，經過編織，加壓成型的金屬材料.金屬橡膠的彈性恢復力和阻尼是依靠金屬絲之間的咬合、摩擦提供的［1］.金屬橡膠材料顯著的非線性干摩擦阻尼性能和在惡劣環境下保持良好性能的優點，使其成為一種很好的阻尼材料.金屬橡膠材料作為減振器件在軍事、航空航天、汽車等領域日益得到廣泛地重視［2－3］.

本文在保證金屬橡膠構件阻尼特性的前提下，改進加工工藝過程研制出質量更輕，結構適用性更強的金屬橡膠構件——金屬橡膠顆粒，其具有質量輕、阻尼性能好、結構簡單、可塑性強等特點，在各種機械減振領域前景廣泛.為了解及掌握這種新型金屬橡膠構件的性能和設計規律，本文開展了有關金屬橡膠顆粒的靜態性能試驗研究.

1 金屬橡膠顆粒介紹

傳統的顆粒阻尼器是將一定的顆粒填充于結構體中，結構體受迫振動時，顆粒受到沖擊將發生彈塑性變形和斷裂，同時，顆粒之間以及顆粒與器壁之間將產生碰撞和摩擦，從而消耗部分振動能量，達到了減振的目的［4－5］.金屬橡膠顆粒阻尼結構同樣也是一種填充式的結構阻尼，將金屬螺旋卷分成小段后制成直徑為4～5mm左右的小球狀顆粒形態（見圖1），然后以小顆粒為基體，將其填充在需要減振的結構中.金屬橡膠顆粒的加工只經過選絲、繞絲、拉伸及編織四步驟，與傳統的金屬橡膠構件相比缺少了模壓成型的步驟，結構和工藝更為簡單，相對密度也大大降低了.

圖1 金屬橡膠顆粒實物圖

與傳統的金屬橡膠構件相似，金屬橡膠顆粒內部同樣由許多相互接觸的金屬絲構成，其阻尼機理不同于傳統的顆粒阻尼的顆粒的彈塑性變形、斷裂和碰撞，而是金屬橡膠內部顆粒間相互接觸的金屬絲之間的滑動摩擦耗能，與傳統的金屬橡膠構件相似.因此金屬絲和螺旋卷自身的剛度以及金屬絲之間的摩擦力是影響其剛度和阻尼性能的關鍵參數.參考傳統的金屬橡膠構件，影響金屬橡膠顆粒性能的主要參數有金屬絲絲徑、螺旋徑、顆粒直徑、相對密度以及顆粒數目等.

2 靜態試驗方案

2.1 試驗方案

金屬橡膠顆粒的研究，不同于以往的金屬橡膠構件，它以金屬橡膠小顆粒為主體.對顆粒本身而言，它的質量、密度、剛度、阻尼等都沒有基本的經驗知識.所以對其進行靜態試驗，可以初步掌握其力學特性和不同參數的影響.

將金屬橡膠顆粒均勻鋪設在剛性容器底部，應用電子萬能試驗機進行靜態遲滯特性試驗，見圖2.為了使其性能穩定，進行6～12次循環后，根據穩定后的試驗數據繪制靜態遲滯回線圖.

2.2 試驗件相關參數

圖2 靜態特性試驗方案

金屬橡膠阻尼顆粒性能同樣由其制備工藝和材料參數所決定的.表1給出了不同金屬橡膠顆粒試驗件的材料參數和工藝參數.其中絲徑、螺旋卷和相對密度參數的含義和傳統金屬橡膠一致，平均質量為容積內平均每個小球的質量，顆粒個數為試驗容積內顆粒小球的個數.

表1 試驗件材料的相關參數

3 相關參數影響規律

根據表1選取不同的試驗件，分別試驗分析不同參數對金屬橡膠顆粒剛度和損耗因子的影響.

3.1 變形量的影響

圖3和圖4分別所示試驗件1受壓縮載荷時均載-位移曲線（均載表示一個顆粒小球受到的力）和損失因子隨變形量的變化曲線.

圖3 試驗件1受壓縮載荷時均載-位移曲線

由圖3均載-位移曲線可知，金屬橡膠顆粒的剛度在小變形時近似為線性，隨著變形的增大，剛度呈現軟特性和硬特性的規律.這一特性與傳統模壓成型的金屬橡膠構件較為相似.由圖4損耗因子變化曲線可知，隨著變形量的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子也隨之增加，然后趨于穩定值，這是由于變形量的增加導致原來內部顆粒間未接觸的金屬絲開始接觸，因此參與滑移摩擦的顆粒數逐漸增多.金屬橡膠顆粒損耗因子的變化過程和傳統的金屬橡膠相近，從數值來看，與傳統的金屬橡膠的阻尼性能相當.

圖4 試驗件1的損失因子隨變形量的變化

3.2 安裝密度的影響

通過對比試驗件3和試驗件6的靜態試驗結果，研究安裝密度（一定容積內顆粒的個數）對金屬橡膠顆粒靜態性能的影響.

由圖5可知，金屬橡膠顆粒的剛度隨安裝密度的增加而增加.安裝密度大顆粒多，即同樣面積內受載的顆粒小球多，因而剛度增大.由圖6可知，當變形量較小時，安裝密度越大，金屬橡膠顆粒的損耗因子越小，其后數值相當.由于安裝密度大的顆粒之間的滑動摩擦距離小，因而滑動摩擦耗能小.

圖5 試驗件3和6受壓縮載荷時均載-位移曲線

3.3 絲徑的影響

通過對比試驗件3和試驗件5的靜態試驗結果，研究絲徑對金屬橡膠顆粒靜態性能的影響.

由圖7可知，金屬橡膠顆粒的剛度隨絲徑增加而減小.由參數表1可知，在安裝密度和相對密度相同時，絲徑增加導致顆粒小球的平均直徑增

圖6 試驗件3和6的損失因子隨變形量的變化

加，相當于減小了顆粒小球的彎曲剛度.由圖8可知，隨著絲徑的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子隨之減小.同樣平均直徑的增加，顆粒數目減小，顆粒間間隙增大，內部參與滑移摩擦耗能的接觸金屬絲減少，因此損耗因子下降.

圖8 試驗件3和5的損失因子隨變形量的變化

3.4 螺旋徑的影響

通過對比試驗件1和試驗件3的靜態試驗結果，研究螺旋徑對金屬橡膠顆粒靜態性能的影響.

由圖9可知，隨著螺旋徑的增加，金屬橡膠顆粒的剛度稍微減小，因為螺旋徑的增加導致單位面積內顆粒數目減小，因而整體的剛度降低.由圖10可知，隨著螺旋徑的增加，金屬橡膠顆粒的損耗因子變化不大.因此顆粒數目的減小，平均直徑的增加對損耗因子的影響相互綜合.

圖9 試驗件1和3受壓縮載荷時均載-變形曲線

圖10 試驗件1和3的損失因子隨變形量的變化

3.5 相對密度的影響

通過對比試驗件2和試驗件3的靜態試驗結果，研究相對密度對金屬橡膠顆粒靜態性能的影響.

由圖11、圖12可知，隨著相對密度的增加，金屬橡膠顆粒的剛度和損耗因子隨之增加，這是由于相對密度的增加單個顆粒的剛度增大，并相對密度增加顆粒數目減小，顆粒之間間隙減小，相對相互接觸耗能的金屬絲增多.

圖11 試驗件2和3受壓縮載荷時載荷-變形曲線

圖12 試驗件2和3的損失因子隨變形量的變化

3.6 絲材的影響

通過對比試驗件3和試驗件4的靜態試驗結果，研究絲材對金屬橡膠顆粒靜態性能的影響.

圖13 試驗件3和4受壓縮載荷時均載-變形曲線

由圖13可知，相同變形量下絲材為不銹鋼的剛度略高于GH4169.由于不銹鋼的彈性模量略大于GH4169.由圖14可知，相同變形量下不銹鋼材料的損耗因子低于GH4169.相同變形量下不銹鋼絲材的MR顆粒所受到的壓應力大，發生滑動摩擦的金屬絲對較少，阻尼則就較小.

圖14 試驗件3和4的損失因子隨變形量的變化

4 結論

本文通過改進金屬橡膠材料的加工工藝，把金屬絲螺旋卷加工成金屬顆粒小球，設計出新型的金屬橡膠顆粒阻尼構件.通過對其工藝參數和材料參數的靜態遲滯試驗分析，初步的了解了相關參數對金屬橡膠顆粒阻尼構件的剛度和阻尼性能的影響規律，對金屬橡膠顆粒阻尼構件動態特性研究奠定了試驗基礎.

（References）

［1］契戈達耶夫（俄）.金屬橡膠構件的設計［M］.李中郢譯.北京:國防工業出版社，2000

Chegodayev D E（Russia）.The designing of component s made of metal rubber［M］.Translated by Li Zhonge.Beijing:Industry Publishing Company of National Defence，2000（in Chinese）

［2］Ma Yanhong.Vibration on reduction investigation of a squeeze film damper［C］//Ma Yanhong，Hong Jie，Deng Yin.Proceedings of ASME TURBO EXPO 2006.Barcelona，Spain:［s.n.］，2006

［3］Ma Yanhong.Study on metal rubber material's characteristics of damping and sound absorption［C］//Ma Yanhong，Wang Hong，Li Haoyu.Proceedings of ASME TURBO EXPO 2008.Berlin，Germany:［s.n.］，2008

［4］夏兆旺，單穎春，劉獻棟.顆粒阻尼應用于平板葉片減振試驗［J］.振動、測試與診斷，2008，28（3）:269－303

Xia Zhaowang，Shan Yinchun，Liu Xiandong.Particle damping tests on cast steel plates［J］.Journal of Vibration，Measurement＆Diagnosis，2008，28（3）:269－303（in Chinese）

［5］胡溧，黃其柏，馬慰慈.顆粒阻尼減振性能的試驗研究［J］.噪聲與振動控制，2008，05（13）:52－55

Hu Li，Huang Qibai，Ma Weici.Experimental research on the damping performance of particle dampers［J］.Noise and Vibration Control，2008，05（13）:52－55（in Chinese）

Experiments on static characteristics of metal rubber particles

Hong Jie Zhu Bin Ma Yanhong Chen Lulu
（School of Jet Propulsion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

According to problems of the high mode density of natural frequencies of plane-shell structure and a broad spectrum of aerodynamic excitation forces，a new metal rubber（MR）component was designed by improving the processing technology of MR.It is called metal rubber particles（MRP）.The WDW3100 electronic universal testing equipment was used to obtain static characteristics of MRP damper experimentally.The average stiffness and loss factor of MRP was obtained by measured the static hysteresis loop.The material parameters and process parameters on the influence of stiffness and damping characteristics was obtained by experimental results.Through this study，it provids experimental basis for further research and engineering application of metal rubber particles damper.

metal rubber particles;static characteristics;nonlinear stiffness;hysteresis curve

V 257

A

1001-5965（2012）02-0218-04

2010-11-04;< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2012-02-21 11:47;

CNKI:11-2625/V.20120221.1147.025

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1147.025.html

航空基金資助項目（2006ZC51）

洪 杰（1965－），男（回族），北京人，教授，hongjie@buaa.edu.cn.

（編 輯:張 嶸）