高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:李昕龙()男硕士研究生:.通信作者:原霞()女博士副教授:.:./.高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究李昕龙原 霞王玉帅樊文欣陈 燕尹 飞(.中北大学 太原.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军事代表室 太原.陆军装备部驻南京地区军事代表局某军事代表室 山东 烟台)摘要:为探讨金属橡胶在高速冲击环境下的动态力学性能制备了圆柱实心金属橡胶试件使用分离式霍普金森压杆()开展了金属橡胶的动态压缩试验 分析了金属橡胶动态应力 应变规律探讨应变速率和弹簧卷外径对金属橡胶的动态弹性模量、动态峰值应力、能量吸收和理想能量吸收效
2、率的影响规律 结果表明动态应力 应变曲线分为弹性形变阶段、局部塑性变形阶段和破坏阶段动态弹性模量和动态峰值应力均表现出典型的应变速率效应且均随弹簧卷外径的增大而减小 此外随着应变增大能量吸收性能随应变速率增大而逐渐变好随弹簧卷外径的减小而逐渐变好 理想吸能效率受应变速率影响很小但随应变增大而逐渐增高并趋于饱和其饱和值均大于.弹簧卷外径为 时金属橡胶的理想吸能效率最优其饱和值达到.表明金属橡胶材料在高速冲击下有良好的吸能抗冲击作用关键词:金属橡胶结构参数动态力学性能能量吸收特性分离式霍普金森杆本文引用格式:李昕龙原霞王玉帅等.高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究.兵器装备工程学报():.:.():
3、.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):().:.:引言目前泡沫铝、橡胶等因其良好的吸能性能而得到广泛应用对这些材料动态力学性能的研究大多基于分离式霍普金森压杆()试验 等研究了冲击速度和相对密度对泡沫铝动态力学性能的影响结果表明 泡沫具有优异的动态力学性能 等研究了高阻尼橡胶在 高速冲击下的动态力学性能和吸能特性结果表明高阻尼橡胶具有良好的吸能性能 然而泡沫铝的弹性变形小当其受到大载荷作用时易发生脆性破坏而永久变形不能有效地承受多次冲击载荷橡胶在高低温等极限环境下稳定性差易老化 因此有必要开发一种性能全面的新型抗冲击材料金属橡胶材料是一种以高弹性细金属丝为原料经过螺旋成型、定螺距拉
4、伸、缠绕铺层、模压成型及后续处理等工艺最终形成的一种高弹性、大阻尼材料被广泛地用作减振缓冲材料 其独特的成型工艺使金属橡胶具有其他多孔材料无法比拟的特殊力学特性如高阻尼、高弹性、刚度可设计、环境适应性强(耐高低温、抗老化、不挥发)等目前对金属橡胶以及金属橡胶构件的研究主要集中在变形机理研究、本构模型建立、准静态和动态力学特性分析 等通过计算机断层扫描分析金属橡胶的微观结构发现螺旋卷之间呈勾连、咬合和挤压状态 在承受压缩载荷时弹簧卷之间以分离、滑移和黏着 种接触状态为主这种微观组织结构的接触状态转换是造成金属橡胶宏观力学性能发生变化的最直接原因金属橡胶的减振吸能性能主要通过滑移状态来实现 等改进
5、了小曲梁模型该模型能很好地模拟金属橡胶在单向受压状态下的应力 应变关系 曹凤利等基于变长度悬臂曲梁推导出精度更高的本构模型模型考虑了金属丝直径、弹性模量、螺旋卷直径、材料相对密度等基本的材料结构参数对金属橡胶迟滞特性的影响能够较为准确地描述金属橡胶材料承受压缩载荷时加载和卸载阶段的力学特性诸多学者 研究了结构参数对金属橡胶静态力学性能的影响规律:相对密度或者丝径越大金属橡胶弹性模量越大弹簧卷外径越大金属橡胶弹性模量越小 彭云强等利用金属减振器横向和轴向准静态力学性能数据成功拟合确定了 种金属橡胶减振器的横向和轴向载荷 位移曲线平均值和性能边界为金属橡胶减振器的选型和安全性、可靠性评定提供了重要
6、基础数据金属橡胶的动态特性分析主要包括振动和抗冲击两大研究主题 在振动特性研究方面 等对金属橡胶进行循环动载荷试验提出了用截面畸变表示的几何系数来评估循环动载荷后的振动可靠性 等通过研究金属橡胶动态刚度和阻尼对载荷条件的敏感性总结出减振性能在很大程度上取决于预压缩和动态振幅金属橡胶构件抗冲击性能研究是金属橡胶技术研究领域的一个重要的研究方向目前多以低速冲击(冲击速度范围 /)为主 闫辉等通过冲击台对金属橡胶进行低速负载冲击试验试验结果表明金属橡胶能有效地降低冲击对系统的影响 鲍继轩等借助综合振动台试验设备对金属橡胶减振器进行跌落式冲击试验提出了一种金属橡胶减振器的冲击数值模拟方法与试验数据吻合
7、度较高 李上洲使用自研落锤装置开展了低速冲击试验研究表明在冲击速度较低时金属橡胶的主要耗能方式为干摩擦在冲击速度较高时耗能方式不仅有干摩擦还伴随着空气阻尼和塑性变形金属橡胶主要应用于减振抗冲击领域其在高速冲击载荷下的动态特性研究尤为重要然而目前对金属橡胶在高速冲击(冲击速度/)下的抗冲击性能研究甚少 本文中通过霍普金森压杆试验探究金属橡胶的动态压缩性能发现高速冲击下(应变速率范围为 )的动态应力 应变规律与准静态试验条件下及低速冲击试验条件下的应力 应变规律有较大不同可见金属橡胶是一种应变速率敏感材料 继而分析了高应变速率动态压缩时的能量吸收性能以及理想吸能效率结果表明在金属兵 器 装 备 工
8、 程 学 报:/./橡胶在高速冲击下仍具有良好的吸能减振性能是一种优良的冲击防护材料通过高应变速率压缩试验方法测试金属橡胶动态压缩力学特性并探讨其吸能特性对于金属橡胶在高速冲击防护领域的应用有极大的促进作用 金属橡胶高速冲击试验.金属橡胶试件金属橡胶试件为图 所示的圆柱实心体直径约为 厚度约为 相对密度约为.材质为 不锈钢丝()选用丝径为.其基本参数见表 选用的螺旋卷外径分别为:、图 金属橡胶试件外形尺寸.表 试件材料参数 丝材密度/()抗拉强度/屈服强度/弹性模量/.金属橡胶试件成型过程如下:)制备不同外径的弹簧卷如图 从左至右试件所用弹簧卷外径数据依次为 、图 弹簧卷外径尺寸.)将弹簧卷定
9、螺距拉伸后缠制好的毛坯放入设计好的冲压模具中进行冷冲压成型成型后的金属橡胶试件见图 图 多卷径金属橡胶试件.分离式霍普金森压杆试验分离式霍普金森压杆()试验是研究材料动态力学性能的重要试验方法高应变速率()下金属橡胶的压缩性能反映了其在动态压缩载荷下的塑性流动、应变速率效应等力学特征是金属橡胶用于抗冲击结构设计、优化和制造中的关键材料参数是建立金属橡胶动态本构模型的重要参量 试验装置示意见图 主要由气枪、子弹(撞击杆)、入射杆、透射杆、吸收杆、阻尼器及数据采集系统等组成 子弹、入射杆、透射杆、吸收杆的长度分别是 、其参数见表 数据采集系统主要由应变片、动态应变仪、示波器等部分组成用于测试和记录
10、试验过程中波导杆上的入射波、反射波和透射波信号图 试验装置示意图.表 压杆参数 波导杆材质弹性模量/直径/铝合金 试验装置实物见图 入射杆上粘贴普通电阻应变片透射杆上粘贴精度更高的半导体应变片且应变片距试件距离相等 试验时在待测试件表面涂抹凡士林并用反射杆和透射杆将待测试件夹持夹持方式见图 李昕龙等:高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究图 试验装置.图 试件夹持方式.通过实验采集脉冲信号入射波、反射波和透射波基于一维弹性应力波和试样应力、应变分布均匀性假定采用被广泛使用的二波法进行试件的应力、应变与应变速率计算转化公式为:()()()()()()()()式()中:为应变速率 为应变 为应力 为杆
11、的弹性波速 为金属橡胶试件成型方向高度为透射波信号为透射波信号 为波导杆所用材料的弹性模量 为波导杆横截面积为试件成型方向截面积试验通过设置气枪气压来控制应变速率试验气压设置为.、.、.、.具体试验参数见表 表 金属橡胶试件动态压缩试验参数 组别弹簧卷外径/气压/速度/()应变速率/.续表(表)组别弹簧卷外径/气压/速度/()应变速率/.试验结果试验生成的入射信号、反射信号和透射信号的典型原始波形曲线见图 金属橡胶受高速冲击时能依靠自身形变暂时将部分能量储存因而透射波信号相较于反射波信号出现一定的相位滞后图 试验典型波形.种弹簧卷外径金属橡胶试件经最大气压冲击后的形变情况见图 通过观察发现 种
12、试件发生不同程度的膨胀破坏随着弹簧卷外径增大试件膨胀的程度越大 这是因为弹簧卷外径越大线匝与线匝间的勾连现象就越少线匝间互相约束的作用就越弱最终导致更大卷径的金属橡胶抗形变能力更差一些承载能力也更弱一些图 试件形变情况.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./动态压缩特性分析.动态应力应变曲线动态压缩试验金属橡胶动态应力应变曲线见图 在动态压缩早期金属橡胶变形较小弹簧卷匝之间尚未产生有效的滑动摩擦此时处于弹性形变阶段应力与应变为线性关系随着应力的增大金属橡胶进一步变形部分弹簧卷匝开始互相滑移、挤压金属橡胶中具有弹性的弹簧结构开始被破坏产生局部塑性变形弹性模量开始减小 并且随应力的继续增大更多的弹
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