[发明专利]一种橡胶材料结构动态性能的分步式分析与预测方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及橡胶材料结构动态性能的分析与预测方法，尤其是一种橡胶材料结构动态性能的分步式分析与预测方法。

二、背景技术

随着国民经济和现代工业的快速推进，机械设备逐渐向大型化、高速化和复杂化的方向发展，由此导致的振动和噪声危害也日益突出，因此需要采取更加有效的措施控制机械设备的振动和噪声水平。橡胶材料结构可以有效的衰减振源的振动或隔离振动的传递，是目前在隔振和减振领域得到广泛采用的元器件之一。由于橡胶材料的弹性模量远小于金属，同时具有一定的阻尼，采用橡胶与骨架材料(如金属、纤维等)相互硫化粘接制成的橡胶材料结构，具有相对刚度小、阻尼大、质量轻、结构紧凑、可承受多向载荷、减振降噪效果显著、形状不受限制、安装维护方便、制造成本低、工艺性好等一系列优点，已经广泛应用于机械、车辆、能源、交通、船舶、航空以及建筑工业等各大工程领域。然而由于橡胶材料本身复杂的动态特性以及橡胶材料结构多变的外形构造，目前尚没有理想的模型或解析公式可以准确地描述其弹性特性与结构参数之间的关系，因而针对橡胶材料结构动态性能的分析与设计也没有确定的方法，大多结合经验公式、仿真计算和试验测试等方式进行。

橡胶材料结构的动态性能主要包括动刚度特性和滞后角特性，对于给定材料和结构的橡胶材料结构来说，其动态性能受预载载荷、激励频率、激励幅值以及环境温度等因素的影响而变化。经验公式预估和试验测试是得到广泛采用的橡胶材料结构动态性能的获取方法，但经验公式要求橡胶材料结构的外形简单规则，且计算结果往往与实际值存在一定误差；试验测试的结果较为精确，但需要耗费较高的人力和物力成本，并不适合在具有反复迭代性质的设计研发阶段采用。以有限元方法为基础的仿真分析技术是具有良好应用前景的橡胶材料结构动态性能的预测手段，但由于橡胶材料本身复杂的动态特性以及结构在实际工作过程中复杂的受力情况，在高频激励下的有限元分析过程往往难以获得满足工程精度需要的结果。

对于橡胶材料结构来说，实际的工作情况通常是在准静态负载下受到频率和幅值在一定范围内不断变化的动态激励的过程。而橡胶材料在准静态载荷下表现出的是超弹性大变形特性；在一定的预载和激励幅值下其动态特性又随激励频率发生变化，表现出频变动态特性；在一定的预载和激励频率下其动态特性又随激励幅值发生变化，表现出幅变动态特性。橡胶材料结构的实际性能通常是在上述复合载荷作用下的综合表现结果。而目前常用的描述橡胶材料性能的本构关系模型主要有超弹性模型、粘弹性模型、弹塑性模型以及复合叠加模型等几种：超弹性模型可以描述橡胶材料的非线性大变形特性，粘弹性模型可以描述橡胶材料的频变动态特性，弹塑性模型可以描述橡胶材料的幅变动态特性。但有限元分析过程需要对橡胶材料结构的实际加载过程进行完整的仿真后才有可能得到满足工程精度需要的结果，因此采用上述单一一种材料模型是难以满足实际需求的。有些方法建立了较复杂的非线性本构关系模型可以同时描述两种以上的橡胶材料性能，但这类材料模型通常并未内置在常用的有限元软件中，需要进行二次开发才能使用，通用性不佳；还有些方法采用了复合的材料模型进行橡胶材料结构的建模，但是这类模型需要同时构建超弹性、粘弹性和弹塑性等多种本构关系模型，建模与计算完成后又要进行计算结果的叠加，而材料参数的获取和结果的叠加过程均较为复杂且有一定难度，实际应用较少。

因此，虽然目前有关橡胶材料本构关系及其动态性能分析方法的研究内容较为丰富，但是在实际应用时仍然存在诸多不足，需要开发一种可直接应用于橡胶材料结构高频动态特性的有限元分析过程、材料参数的获取方法简便易操作、试验和计算流程清晰明确、具有实际应用价值且能够满足工程精度需要的分析与预测方法。

三、发明内容

本发明的目的是弥补现有橡胶材料结构动态性能的分析与预测方法存在的不足，提供一种橡胶材料结构动态性能的分步式分析与预测方法。

本发明针对橡胶材料结构在高频、小振幅激励条件下的实际加载过程和动态行为，提出采用分步式分析与预测方法对橡胶材料结构进行高频动态特性的有限元分析与预测，以分步处理的方式综合考虑橡胶材料的准静态大变形特性、频变动态特性和幅变动态特性，其技术方案包括以下试验预测步骤：

第一步，橡胶材料超弹性本构关系的拟合

(1)首先通过橡胶拉压试件的准静态弹性特性试验获取橡胶材料的超弹性应力-应变关系：采用与目标橡胶材料结构中相同批次的橡胶材料制取的圆柱形试块和哑铃形试片，在液压伺服实验台上进行准静态加载，记录加载的载荷和试件的变形，测得不同伸长比λ下的应力值σ；