带预紧硅泡沫垫层结构的减振系统分析

摘要

工程中某些部（构）件出于特殊的设计需要，采用预紧接触式垫层结构。该种结构通过外层壳体（如圆柱壳）对壳体与部（构）件之间所填充的衬垫材料——垫层施加预紧力来实现对部（构）件的装配，垫层和部（构）件都依靠外层壳体施加在垫层材料的预紧力（法向力）和摩擦力（切向力）保持稳定，因此，该种结构是彼此接触的多个变形体的软连接结构。
　　结构在工作环境中，外层壳体受到动态的外加激励，作为结构系统动力学响应的一部分，内层部（构）件和垫层之间、垫层和外层壳体之间的接触状态在不断改变。预紧接触式垫层结构在正常工作环境下垫层要求总处于受压状态，并且这种受压状态应该不低于某一水平，如果接触压力低于某个水平，接触面上的摩擦力也随之减小，处于内层的部（构）件与垫层以及垫层与外层壳体之间的相对滑动（滑移）现象将可能发生；如果接触压力某瞬时为零，内层的部（构）件与垫层以及垫层与外层壳体，将会有瞬时的分离以致碰撞。上述两种情况的出现，工程上出于特定需要，都视为结构失效，结构失效对内外壳结构的稳定性和安全性都有很大的破坏作用，都应避免发生。因而研究内外壳与垫层材料间的接触分离、相对滑动的力学机理以及各种力学参数对两种现象发生的影响有很大的工程意义。
　　中间垫层作为结构的核心部件，对于结构在动力环境中的可靠性起到至关重要的作用，垫层材料是一种具有多孔隙的物理特征，宏观上表现为体积可压缩的橡胶类材料，其力学行为是一个包括几何非线性、材料非线性的复杂问题，实际应用过程中，还会遇到应力松弛、蠕变、环境温度影响等粘弹性问题，论文对垫层材料自身的力学特性进行了深入系统的研究。首先在连续介质力学的基本框架内和在热力学宏观定律的基础上，通过结合泡沫硅橡胶材料的物理结构特征，建立了泡沫硅橡胶的两相多孔介质模型；进而基于应变能密度函数可解耦为相对独立的等容变形和体积变形两部分，提出了可压多孔橡胶材料的应变能密度函数，给出了材料的超弹性本构关系，它能够考虑孔隙度对材料变形行为的影响。利用硅橡胶材料的单轴压缩实验进行了材料参数拟合，讨论了多孔硅橡胶的孔隙度和体积变形对压缩性能的影响。
　　根据多孔硅橡胶模型给出的其静力问题的控制方程，考虑多孔硅橡胶各向同性超弹性材料，利用完全的Lagrange格式进行有限元的分析，推导了有限变形的增量形式，导出有限元列式，编制了刚度矩阵的计算模块。利用ABAQUS软件良好的开放性和所提供的用户子程序接口，采用FORTRAN语言编制了所提出的垫层材料硅橡胶泡沫的用户材料子程序UMAT，对硅泡沫材料的工程应用和设计具有重要的指导意义。
　　针对孔隙度较大的硅橡胶材料在有限变形时的粘弹性行为，从建立描述材料粘弹性特征的松弛型本构关系出发，结合所提出的适合多孔隙、可压硅橡胶材料的非线性弹性行为的本构关系，建立了多孔硅橡胶在有限变形下的粘弹性本构关系，并对有限变形粘弹性的有限元实现进行了说明。利用硅橡胶材料的单轴压缩松弛实验进行了材料参数拟合，讨论了多孔硅橡胶的剪切变形和体积变形对应力松弛的影响。
　　基于所提出的适合多孔隙、可压硅橡胶泡沫材料的超弹性和有限变形粘弹性本构关系和所开发的用户材料子程序，应用有限元软件ABAQUS对该结构在多个控制因素组合情况下的静动力学响应进行了数值计算，着重分析了影响结构可靠性的各部件间的接触状态与部分控制因素之间的关系，结果可为工程设计提供依据。

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目录

1 绪 论

1.1 论文研究的背景及问题

1.2 预紧减振系统垫层接触分离及相对滑移的定性分析

1.3 沫硅橡胶材料非线性力学行为研究综述

1.4 接触碰撞问题的研究现状

1.5 预紧垫层结构的研究现状

1.6 论文的主要研究内容与路线

2 垫层材料的两相多孔介质模型

2.1 引言

2.2 泡沫硅橡胶材料的结构和物化性质

2.3 基于混合物理论的多孔介质模型

2.4 泡沫硅橡胶的两相模型

2.5 小结

3 垫层材料有限变形的超弹性行为

3.1 引言

3.2 硅橡胶的有限变形描述

3.3 可压多孔橡胶应变能函数和本构关系性质

3.4 泡沫硅橡胶有限变形的数值计算

3.5 小结

4 垫层材料有限变形的粘弹性行为

4.1 引言

4.2 时间相关的有限变形几何描述

4.3 粘弹性材料的单积分本构关系

4.4 有限变形粘弹性的数值实现

4.5 泡沫硅橡胶单轴松弛实验与分析

4.6 小结

5 带预紧硅泡沫垫层结构的静动力响应

5.1 引言

5.2 接触问题及其计算方法

5.3 硅泡沫垫层的接触问题

5.4 带预紧硅泡沫垫层结构的静力响应

5.5 带预紧硅泡沫垫层结构接触分离的条件

5.6 带预紧硅泡沫垫层结构接触面间相对滑移条件

5.7 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步工作的展望

致谢

参考文献