金属橡胶材料的理论模型研究

金属橡胶因此类金属构件具有类似橡胶的弹性而得名。本文从金属橡胶的成型工艺特点出发,以弹簧理论为基础,通过建立金属橡胶材料的力学模型,对材料的刚度特性进行理论分析,给出了金属橡胶材料的本构关系,为开发金属橡胶材料的产品设计与应用提供理论依据。      

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

基于试验数据识别的金属橡胶有限元仿真方法

金属橡胶工程应用分析常需要1种可以与商用有限元软件相结合,适用于复杂结构设计的快捷数值仿真方法。针对金属橡胶的有限元仿真问题,基于ANSYS软件,发展了基于试验数据识别的横向各向同性材料参数确定方法,并采用循环加载、模型更新的方法,实现了金属橡胶材料受压过程非线性力学特性的仿真计算。结果表明:该方法对立方体件在无约束状态下受压过程进行模拟时,相对误差在10%之内;安装约束使其刚度增大,仿真与试验结果相比规律吻合,刚度的误差在30%之内;环形金属橡胶件在径向受压时,仿真与试验测得刚度的相对误差在25%之内。     

金属橡胶动态隔振性能的实验研究

通过对金属橡胶元件进行的一系列实验,考察了振动频率、成型厚度、成型密度、振幅及预压缩(或初始位移)等对金属橡胶元件滞迟特性的影响规律,得到滞迟特性受成型参数尤其是成型厚度、成型密度、振幅及预压缩(或初始位移)的影响较大,随着这些参数的增大,金属橡胶元件的阻尼性能增强,而振动频率对金属橡胶元件滞迟特性的影响很小。同时对随机激励下金属橡胶元件的隔振性能进行了实验研究,得出金属橡胶减振器的隔振效率ε可达63.47%,且其隔振效率ε随激励的增大而增大。     

卡扣型橡胶减振器刚度特性分析与试验研究

以一种常用的双侧卡扣型橡胶减振器为研究对象,通过对橡胶减振器进行受力分析,建立减振器的刚度计算模型,给出了减振器刚度与单片橡胶块刚度的关系;再采用仿真和试验手段,对单片橡胶块和减振器的刚度特性进行了研究。研究表明：在小变形条件下,卡扣型橡胶减振器压缩刚度和剪切刚度是单片橡胶块压缩刚度和剪切刚度的2倍,通过仿真分析与试验测试验证了减振器力学模型的准确性。     

高低温环境下金属橡胶材料疲劳特性试验研究

以高低温等太空极端环境中的减振需求为背景，对设计制作的固支圆盘型金属橡胶试件进行了高低温环境疲劳特性试验研究，并根据刚度衰退特性提出了金属橡胶构件的疲劳失效判据。研究结果表明：金属橡胶材料的疲劳破坏形式主要是金属丝的断裂破碎和磨损，宏观上表现为试件动态刚度的不断衰减，且在相同振幅下，金属橡胶试件的刚度衰减速度随环境温度的降低而加快，随温度的升高而减缓。在整个疲劳试验过程中，试件损耗因子变化幅度较小，阻尼性能相对比较稳定。     

带气膜阻尼环的转子系统动力特性试验

提出一种具有金属橡胶弹性外环的气膜阻尼环(AFD)作为转子系统的辅助支承阻尼元件.建立AFD的力学模型,解释其工作机理.建立带AFD转子系统的试验台和测控系统,对比无AFD转子系统的动力特性,验证AFD的辅助支承阻尼性能.通过对AFD振动位移和相位的测量,说明气膜环在转子运转过程中的跟踪振动响应过程.通过对比气膜环和转子轴颈在转子系统运转过程中的相位差,验证AFD的工作机理和阻尼减振性能.最后研究初始气膜间隙对AFD性能的影响.研究结果表明:由于AFD具有可动金属橡胶环,气膜环能够跟随转子轴颈的振动量,自动调整偏心振动量和相位,具有自适应特性.在金属橡胶和气膜的刚度和阻尼作用下,AFD作为转子系统的辅助支承阻尼元件,为转子系统提供附加支承刚度和有效阻尼,起到限幅减振的作用.而初始气膜间隙越小,辅助支承阻尼作用的效果越明显.      

复杂构型金属橡胶毛坯铺设路径规划

基于金属橡胶毛坯自动化铺设工艺,对遗传算法进行合理改进,进行了复杂构型金属橡胶毛坯铺设的定位销优化设计和路径规划。针对定位销优化设计和路径规划问题,建立了改进的编码、交叉、变异算子,并提出评价因子对遗传算法的迭代过程进行评价。优化的定位销排布和铺设路径可以较好地实现复杂构型金属橡胶毛坯铺设,铺设10层时,优化路径对应的目标函数b的值比经验路径小54%,路径规划作用显著。单层路径规模对铺设效果影响较小;单层路径规模不同时,毛坯内部接触状态随着铺设螺旋卷长度的增加趋于一致。为复杂构型金属橡胶毛坯铺设提供了理论依据。      

金属丝网橡胶的本构关系

通过对圆环形金属丝网橡胶成型制造过程的分析,在圆环嵌套模型基础上,结合干摩擦非线性理论和小曲梁模型建立了金属丝网橡胶材料的非线性本构关系,对不同相对密度的金属丝网橡胶试件进行了静态压缩实验,通过实验数据确定了本构关系方程的各项系数并实验结果进行比较.研究结果表明:建立的本构关系模型可以很好地描述金属丝网橡胶的非线性力学特性,实验结果能够较好地符合理论结果,并且该模型反映了相对密度、网格大小和网格宽度等参数的影响,从而实现了对材料结构刚度的预估.      

一种确定钣金成形件毛坯的新方法

针对钣金成形工艺设计中的毛坯展开问题,利用高分子聚合物在冻结温度时力学特性和金属的相似性及其形状记忆特性,提出了一种确定钣金成形件毛坯形状的新方法——物理逆向法。给出了此方法的理论依据,并进行了相应的试验验证。结果表明此方法是可行的。此方法对于复杂的拉深成形件和复杂的覆盖件的进一步研究更有实际意义,有利于提高产品质量和降低成本。     

考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶准静态压缩本构模型

基于Sherwood-Frost本构方程,并结合材料的特点对考虑温度效应的编织-嵌槽型金属橡胶本构方程的组成及各项的表达形式进行了讨论及确定。根据准静态压缩试验得到的不同温度下编织-嵌槽型金属橡胶材料的试验数据,拟合了所构建本构方程中的参数,最后结合不同密度试件在不同温度下的试验数据,通过仿真对本构方程进行了验证。结果表明仿真结果与试验结果之间具有较好的一致性,所构建的本构方程基本可以满足对高温环境下编织-嵌槽型金属橡胶准静态本构关系的预估要求。     

层状球面弹性轴承刚度设计、仿真与试验

从理论上推导了层状球面弹性轴承各橡胶层的压缩刚度和扭转刚度计算公式,通过具体算例,将层状球面弹性轴承各橡胶层压缩刚度和扭转刚度的理论计算结果与仿真结果进行了对比分析.结果表明:各橡胶层压缩刚度的理论计算结果与仿真结果基本吻合,最大误差为3.98%.各橡胶层扭转刚度的仿真结果与理论计算结果存在一定偏差,从小接头开始的前半部分橡胶层扭转刚度的仿真结果大于理论计算结果,最大误差为33.3%;后半部分橡胶层扭转刚度仿真结果小于理论计算结果,最大误差为32.8%.压缩刚度对压力变化表现的非线性特性不明显,扭转刚度则随扭转角的增大,其非线性特性变得越显著.但通过理论方法、有限元仿真方法得到的层状球面弹性轴承等效压缩刚度和等效扭转刚度与试验结果吻合良好.      

Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料力学性能的影响

 X-Cor夹层复合材料是一种新型的Z-pin增强泡沫夹层结构,具有突出的比强度、比刚度。采用热压成型工艺,在不同的Z-pin植入参数下制备了X-Cor夹层复合材料,并对这种结构材料的平压和剪切力学性能进行了研究,考察了植入角度、植入密度、植入方向等参数的影响规律。结果表明,Z-pin植入参数对X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能影响显著。X-Cor夹层复合材料平压性能随Z pin植入角度和植入密度的增大而增加,植入角度达到90°时,X-Cor夹层复合材料平压强度及模量最大;剪切性能随Z-pin植入角度的增大而减小,实验范围内,植入角度为45°时,剪切强度和模量最大;同时,X桁架的植入方向对剪切性能也有很大影响,相同Z-pin植入密度下,沿试样长度方向植入的X桁架含量增加时,夹层复合材料的剪切模量增加;X-Cor夹层复合材料的平压性能和剪切性能随Z-pin植入角度的变化规律相反,Z-pin植入角度在60°~70°之间时,X-Cor夹层复合材料平压性能与剪切性能均达到较高值。     

三维全五向编织复合材料的切边效应

对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验,实验结果表明,沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约10%和25%;沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3%和18%;进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算,得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力-应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比,结果显示二者吻合良好。研究结果表明,三维全五向编织复合材料的编织角越大,拉伸刚度和强度会越小;试件尺寸越大,厚度方向和宽度方向切边的影响越小,并趋于定值。     

复合材料变截面压杆变形性能研究

为了对复合材料变截面压杆的变形性能进行理论预测,本文以航天器空间桁架结构中的复合材料变截面压杆作为研究对象,首先,基于经典层合板理论,将复合材料变截面杆的壁板等效为主方向与杆轴线方向一致的正交异性板,此时复合材料变截面杆可近似为正交异性杆;其次,基于弹性变形理论和小变形假设,推导了反映杆轴向变形能力的等效轴压刚度理论公式;最后,利用有限元对等效轴压刚度理论的准确性进行了验证。结果表明,不同中间半径和变截面段长度条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在3%以内;不同铺层角条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在2%以内。因此,本文的理论能够较准确地预测复合材料变截面压杆的变形。     

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。      

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。