橡胶弹性减振元件疲劳寿命预测研究

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1、湖南工业大学硕士学位论文：橡胶弹性减振元件疲劳寿命预测研究第一章绪论1.1前言橡胶工业发展至今已经有160多年的历史[1]，从19世纪中叶起就成为一项重要的工程材料。橡胶材料由于其独特的物理和化学特性，在轨道车辆中广泛用于减振降噪装置，起承载、悬挂、牵引、隔振和缓冲的作用。自20世纪30年代初，橡胶与金属的粘结技术在国际上取得成功后，由于金属－橡胶弹性减振元件与传统金属弹簧相比，具有结构易调整、减振降噪功效显著、体积小、重量轻、无磨耗、免维护、安装使用方便等优点[2]，橡胶件作为减振元件在工程上获得愈来愈广泛的应用。

2、近几年来，中国轨道交通事业蓬勃发展，技术装备水平向世界先进水平跨越式迈进，青藏高原列车通行、200km/h速度以上的高速动车组运行、十一条高速客运专线开工和各大城市地铁轻轨建设等重大工程，带动国内轨道交通橡胶弹性元件材料及产品技术的持续进步[3]。随着轨道车辆运行速度的提高，振动和噪声的危害也越突出，由于橡胶的长分子链结构及分子间的弱次级力，橡胶呈现独特的粘弹性能，因而具有良好的减振、隔音和缓冲性能，因此工程上广泛利用橡胶与骨架材料复合制成的功能装置或特殊的橡胶粘弹性高阻尼材料来消除振动源的振动冲击和吸收噪声[4]。

3、橡胶件的制造需要制作模具，成本较高，故对设计产品的特性作出理论预测，显得尤为必要[5]。国内外专家、学者对橡胶件的设计计算进行多方面的研究，解决一些简单、规则几何形状的橡胶件（如圆柱形、长方形、圆筒形等）的设计计算问题，但是形状比较复杂的橡胶件（如锥形簧、V型簧、牵引球铰等）用解析法求解比较困难。随着计算机技术和有限单元法的发展，用通用有限元软件设计计算橡胶件意义重大。橡胶件的计算主要是刚度计算和强度计算问题，有时还有稳定性估算。一般橡胶减振元件大都是金属与橡胶粘合构成的整体构件，由于橡胶材料的非线性特性和金属与橡胶

4、的弹性特性存在很大差异，橡胶件的分析计算涉及几何非线性和材料非线性问题，分析计算特别复杂。用有限元法分析计算橡胶弹性减振元件的刚度、强度及疲劳寿命不仅能缩短产品的研发周期还能节约大量的试验费用。橡胶弹性减振元件的承压能力较好，其次是抗剪切能力，但是抗拉伸和抗弯曲的能力较低。一般橡胶减振元件主要都用以承受压缩和剪切变形，而尽量避免承受拉伸和弯曲变形，是由于拉伸和弯曲对橡胶件的局部缺陷和表面拉伤比较敏感的缘故。橡胶件承受剪切变形时，承载能力低而柔度大；承受压缩变形时，承载能力高而柔度小。由于橡胶件设计特点，橡胶件在使用中

5、主要承受循环载荷作1万方数据第一章绪论用，其主要损伤失效形式为橡胶本体部分的裂纹、橡胶和金属粘结部位产生的剥离及压缩变形时橡胶本体侧面产生的折皱。橡胶件与金属件不同的是橡胶材料的破坏过程是裂纹扩展和机械性能下降的缓慢变化过程，出现裂纹后产品的使用寿命还可持续很长时间，橡胶破坏和产品失效是两个不同的概念。通过研究橡胶材料的断裂、疲劳特性来预测橡胶件的疲劳性能具有重大的工程应用价值。橡胶材料具有复杂分子特性及材料和几何的双重非线性，使得研究和建立材料的数学模型较困难；材料对温度、周围介质、应变速率、机械载荷和应变等的作用

6、和影响十分敏感，因此橡胶疲劳实质是物理和化学因素共同作用下的损伤破坏，其疲劳特性及寿命预测研究就显得相对复杂[6]。橡胶材料的机械疲劳可以表述为材料在动态载荷或变形作用下，裂纹缓慢扩展而导致的物理机械性能逐渐下降的现象。橡胶在动态疲劳破坏过程中发生降解、氧化、臭氧侵蚀和裂纹扩展，且由于橡胶是一种粘弹体，周期变形中不可逆形变产生的滞后损失转化为热，使材料内部温度升高，促进了橡胶老化，一般橡胶随温度升高强度下降，从而导致橡胶疲劳寿命缩短，因此橡胶的热疲劳破坏对整体寿命影响也不容忽视[7]。影响橡胶疲劳寿命的主要因素有：机

7、械载荷（载荷幅值、载荷比R、载荷波形和加载频率）、热、环境因素(氧、臭氧和紫外线)、橡胶配方及性质(橡胶类型、填料)以及化学因素（如油、酸性汽油等）。由于影响橡胶疲劳因素较多，全面描述橡胶疲劳性能及精确预测橡胶件的疲劳寿命是工程中亟待解决的难题。1.1国内外橡胶疲劳研究概况橡胶弹性元件在使用过程中经常承受压缩或剪切等大变形的周期载荷作用，橡胶材料的疲劳是机械损伤、老化损伤和热损伤等共同作用的结果。一般橡胶材料的疲劳失效包括两个典型阶段：第一阶段为由材料初始缺陷导致的裂纹成核；第二阶段为裂纹扩展导致的疲劳破坏。橡胶材料

8、中疲劳裂纹的成核、扩展和最终的断裂都符合断裂力学行为，因此橡胶材料的疲劳寿命也主要分两阶段：第一阶段是微小裂纹萌生前的寿命即裂纹成核寿命，考察基于连续介质力学的材料一点的应力或应变状态历史来决定材料产生一定裂纹尺寸所需的载荷周期数；第二阶段是微小裂纹扩展到材料破坏失效时裂纹的寿命，基于断裂力学思想，注重于宏观裂纹的扩展速率或微观损伤累积，考察裂