橡胶材料多轴疲劳寿命研究

摘要

本文采用小试样，对天然硫化橡胶进行了一系列多轴非比例循环加载下的疲劳和单轴棘轮试验研究。试验结果表明：橡胶材料具有非常明显的MULLINS效应，表现为循环软化，在R=0加载方式下，其软化程度由峰值应变决定。在所有路径下，应力都是经历了初始大幅下降之后，呈现为稳态的对数下降形式；但多轴加载下，材料疲劳寿命明显低于单轴路径。 而单轴棘轮试验则表明，在循环非对称载荷作用下，橡胶同样具有棘轮效应。同时，加载幅值、平均值与加载率对橡胶棘轮行为有着重要影响，但其同时受制于加载历史作用影响。橡胶材料的恢复性试验表明，材料内部的永久变形及黏弹性作用是产生棘轮应变累积的原因。 利用现有的橡胶材料疲劳损伤模型对试验数据进行了评估：等效应变法尽管有着种种弊端，但是对试验结果拟合效果比较好；能量法SED模型对于多轴试验结果预测比较差，整体偏于保守：裂变能CED模型考察了作用于某一平面上用于裂纹扩展的能量，其预测效果比SED好的多；而等效应力法最为不理想。 本文另尝试采用金属多轴疲劳领域经典的临界面拉伸型模型，对试验结果进行了评估。结果显示，SWT和CXH模型对橡胶材料能够进行较好地预测；而修正的Fatemi-Socie模型，引入了随应变幅值变化的应力参量，能够对本文的疲劳试验结果给予很好地预测。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章文献综述

1.1橡胶材料

1.1.1概述

1.1.2天然橡胶

1.2橡胶疲劳破坏历程及分析方法

1.2.1橡胶动态疲劳破坏历程

1.2.2裂纹成核方法

1.2.3裂纹生长方法

1.3橡胶疲劳影响因素

1.3.1加载因素

1.3.2环境因素

1.3.3橡胶配方

1.3.4本构行为

1.4本文的工作及意义

第二章橡胶多轴疲劳寿命估算方法

2.1等效应变法

2.1.1最大主应变

2.1.2八面体剪应变

2.2能量法

2.2.1应变能密度

2.2.2裂变能密度

2.3等效应力法

2.4能量法CED分析

2.4.1小应变下CED演化规律

2.4.2有限应变下CED演化规律

2.5本章小结

第三章试验设计

3.1材料和试件

3.1.1材料

3.1.2试件尺寸及加工

3.1.3试件观察

3.2试验

3.2.1试验设备及控制程序

3.2.2疲劳试验定义

3.2.3试验内容

3.3有限变形场下的应力-应变分析

3.4 FEA辅助分析设计

3.4.1 FEA分析流程

3.4.2橡胶本构模型

3.4.3橡胶单调拉伸行为模型

3.5本章小结

第四章橡胶循环特性分析

4.1单轴循环特性

4.1.1 MULLINS效应

4.1.2残余压应力

4.1.3加载速率对应力应变影响

4.2多轴循环特性

4.2.1 MULLINS效应

4.2.2残余压应力及应力分量变化

4.2.3相位角对应力的影响

4.3单轴与多轴循环性能比较

4.4橡胶棘轮特性

4.4.1棘轮定义

4.4.2应力幅值与平均应力对棘轮的影响

4.4.3加载历史对棘轮的影响

4.4.4加载率对棘轮的影响

4.4.5恢复性试验

4.5本章小结

第五章橡胶多轴疲劳寿命分析及预测

5.1等效应变寿命估算法

5.1.1最大主应变法

5.1.2八面体剪应变

5.2能量寿命估算法

5.2.1 SED模型

5.2.2 CED模型

5.3应力寿命估算法

5.4临界面寿命估算法

5.4.1 SWT模型

5.4.2 CXH模型

5.4.3 Fatemi-Socie模型修正

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢