微孔聚氨酯弹性材料力学性能研究及应用

摘要

随着高速列车的迅猛发展，特别是高铁、地铁以及城际交通的发展，有砟轨道面临的临界速度，桥上稳定性，道砟飞溅和平顺性等问题难以解决，而无砟轨道因其优良的综合性能开始广泛地应用于高速铁路、地铁以及城际轨道交通建设中。在无砟轨道中，与之匹配的扣件系统不仅要起到固定轨道的作用，还须具备一定的减振/隔振功能，而扣件系统中的弹性垫板提供了减振/隔振所需要的弹性和阻尼。由于微孔聚氨酯弹性垫板具有更好的机械性能和加工性能，被广泛用作无砟轨道WJ-8等扣件的弹性垫板，替代原有的橡胶垫板作为无砟轨道的主要减振部件，起到缓冲列车载荷的冲击的作用。然而在工程应用中，国内对微孔聚氨酯粘弹性材料力学特性的相关研究还不多见，由于其动力学粘弹性能方面的研究对材料的工程应用中尤为重要，因此有必要对其力学性能进行全面的描述。　　本课题以微孔聚氨酯弹性垫板为研究对象，通过准静态实验和DMTA（Dynamic Mechanical Thermal Analyse）动态力学热分析实验，研究探讨微孔聚氨酯弹性材料的超弹性能及粘弹性能。本文工作的主要内容如下：　　首先，概述了微孔聚氨酯材料在轨道交通、汽车工业、工程机械等工程领域中的应用背景以及国内外对微孔聚氨酯弹性材料静动态力学特性的研究现状。　　其次，引用超弹性材料的本构模型表征微孔聚氨酯弹性材料的非线性静态力学性能。为研究现有超弹材料本构模型对微孔聚氨酯弹性材料适用性，进行了微孔聚氨酯弹性材料的拉伸、压缩和纯剪切力学实验，获得了不同应变条件下的应力应变实验数据，并根据等效原理将压缩实验数据转换为等双轴实验数据。利用获得的微孔聚氨酯弹性材料实验数据对现有经典超弹材料本构模型进行拟合，得到了相应的本构模型参数，并通过误差分析对超弹材料本构模型的适用性进行了分析评估。　　第三，对微孔聚氨酯弹性材料进行动态力学性能实验研究。本文应用 DMTA实验方法研究微孔聚氨酯弹性材料的储能模量和损耗因子与温度、频率以及振幅之间的关系，探讨不同的影响因素对于微孔聚氨酯弹性材料动态力学性能的影响规律。通过对现有粘弹性本构模型的讨论，采用不同阶数的广义Maxwell本构模型对材料的粘弹性实验数据进行拟合，获得相应的本构模型参数，并通过误差分析确定较为精确的模型阶数。　　然后，利用超弹性和粘弹性力学实验数据拟合确定的相应本构模型参数值，对WJ-8扣件用微孔聚氨酯弹性垫板进行有限元仿真，并对其进行了动、静态产品台架实验。通过实验结果与仿真结果对比以及误差分析表明，超弹本构模型的仿真精度从低到高依次为Yeoh模型、M-R模型和Ogden三阶模型，四阶广义Maxwell粘弹本构模型对材料的存贮刚度和损耗因子的仿真误差值分别为5.2％和9.1%，精度较高。最后通过对本文所做的工作进行总结，并对后续应做工作进行了展望。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 微孔聚氨酯材料的特性及其工程应用

1.3微孔聚氨酯材料动静态承载性能研究现状

1.4 本课题研究意义、目的及内容

第二章 微孔聚氨酯材料超弹力学性能

2.1超弹本构模型介绍

2.2准静态基础力学实验及超弹本构模型参数拟合

2.4 本章小结

第三章 微孔聚氨酯材料动态粘弹力学性能

3.1微孔聚氨酯材料粘弹性力学行为

3.2微孔聚氨酯材料DMTA实验

3.3 微孔聚氨酯材料粘弹本构关系

3.4 本章小结

第四章 WJ-8扣件微孔聚氨酯弹性垫板承载特性数值模拟

4.1 有限元分析方法和ABAQUS软件简介

4.2 微孔聚氨酯弹性垫板静动有限元分析

4.3 WJ-8扣件微孔聚氨酯弹性垫板产品台架实验

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢