减振橡胶的黏滞生热及可靠性分析

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炭黑填充橡胶有优良的阻尼性能,被广泛用于各种隔振结构。实践表明,橡胶材料导热系数较低,在循环受载中由于黏滞损耗导致温度上升,过热软化及热老化引起材料性能衰变而导致的失效是橡胶结构疲劳失效的一种主要模式。因此,对橡胶材料的黏滞生热特性进行实验与数值模拟具有很大的研究意义。另外,橡胶材料动力学响应的非线性程度较高,且材料强度等性能指标通常随使用时间衰减;同时,橡胶结构的部分参数,如材料本身的物理性能参数和外加载荷参数,具有分散性和随机性,而实验数据的不足可能导致无法构造出精确的概率模型来描述这些参数,而只能通过有限的数据得到其变化区间。以随使役时间衰减的过热失效为准则,结合橡胶结构动态变形温度场模型,得出橡胶结构的概率-区间混合动态可靠度分析模型。本文首先依据实验分析了外加载荷的频率和幅值等条件对橡胶动态温升的影响,然后通过有限元软件对橡胶动态温升进行了数值模拟,最后由过热失效准则得到极限状态函数,并据此对橡胶结构的可靠性进行了分析。主要的工作概述如下:  1.采用Gabo Eplexor500N动态热机械分析仪对不同频率、不同振幅下的填充橡胶圆柱体试样进行时间扫描,结果表明:动态压缩过程中炭黑填充橡胶的应力-应变曲线为环状,黏滞损耗导致温度上升明显;利用热像仪ThermaCAM SC3000记录了圆柱体表面在压缩过程中的温度场,发现其温度随加载时间先增大然后到达一个稳定值。根据能耗计算公式和温度场控制方程,建立了橡胶动态加载过程的温升计算模型,能对材料的温升进行较好的预测。  2.用数值软件模拟实验条件下的橡胶圆柱体结构动态温升过程。用ABAQUS软件的显式瞬态分析模块和热-力耦合功能对橡胶圆柱体结构在室温下的动态温升过程进行模拟。有限元分析结果与实验结果对比表明:橡胶圆柱体结构在动态加载过程中同样表现出明显的黏滞特性,温升曲线走向一致,温度上升明显。  3、橡胶结构件的可靠性分析。在给定的外载条件下,求得各设计基准期炭黑填充橡胶圆柱体的可靠性指标和失效概率。由于区间变量的存在和考虑极限温度的衰减,得到的可靠性指标和失效概率曲线为上下两条递减曲线。减振橡胶结构件的可靠性分析将为产品的可靠性设计提供依据,具有一定的工程指导意义。
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