橡膠疲勞研究綜述

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1、第1O期王吳等．橡膠疲勞研究綜述橡膠疲勞研究綜述王昊，危銀濤(清華大學(xué)汽車工程系，北京100084)摘要：橡膠疲勞壽命理論的研究對于提高橡膠產(chǎn)品耐久性的設(shè)計和制造具有重要意義。從橡膠的疲勞壽命研究方法、橡膠疲勞影響因素、橡膠疲勞試驗以及疲勞理論的實際應(yīng)用幾方面介紹了橡膠材料和橡膠制品疲勞研究的情況，對于橡膠產(chǎn)品的疲勞耐久性分析和設(shè)計、提高橡膠產(chǎn)品的使用壽命具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：橡膠疲勞；裂紋萌生；裂紋擴展；耐久性中圖分類號：TQ330．1文獻標志碼：B文章編號：10068171(2015)10—0579—07橡膠

2、減震器、輪胎等橡膠制品通常在周期性裂紋的結(jié)構(gòu)，壽命的計算方法多為裂紋萌生法。載荷作用下工作，在實際使用過程中，橡膠疲勞所1．1橡膠材料疲勞裂紋萌生法帶來的安全問題往往十分嚴重，一旦發(fā)生疲勞失疲勞裂紋萌生法假設(shè)橡膠材料的疲勞壽命與效就有可能造成重大的經(jīng)濟損失。在橡膠產(chǎn)品開材料的某種力學(xué)參數(shù)存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。發(fā)初期對橡膠材料、結(jié)構(gòu)的耐久性能進行評估，采這種力學(xué)參數(shù)通常被稱為疲勞預(yù)測因子或疲勞損用實驗和仿真相結(jié)合的手段預(yù)報產(chǎn)品的使用壽傷參量等。疲勞損傷參量的合理選擇是采用裂紋命，并以此指導(dǎo)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及生產(chǎn)工藝

3、萌生法進行橡膠材料疲勞壽命預(yù)測的關(guān)鍵問題。的改進，可提高產(chǎn)品的設(shè)計使用壽命，對于節(jié)省開早期的橡膠疲勞壽命預(yù)測理論致力于在疲勞裂紋發(fā)成本、提高生產(chǎn)利潤具有重要的意義。萌生壽命與疲勞損傷參量之問建立一種經(jīng)驗的關(guān)橡膠是能發(fā)生大變形、具有復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，例如通常被選用的冪法則關(guān)系：系的超彈性材料，在循環(huán)載荷作用下還會出現(xiàn)軟P—KN}化、結(jié)晶等現(xiàn)象，而且橡膠性能受環(huán)境溫度、臭氧式中，P是疲勞損傷參量；N是裂紋萌生壽命；K濃度等因素影響很大，因此橡膠材料的疲勞特性和b為材料常數(shù)。研究十分復(fù)雜，相關(guān)理論不像金屬材料疲勞研究上述疲

4、勞損傷參量通常與材料某點的應(yīng)力和那么成熟。應(yīng)變歷程有關(guān)，因此疲勞裂紋萌生法能夠確定橡膠部件壽命的空間分布狀態(tài)。該方法適用于在產(chǎn)1橡膠材料的疲勞壽命研究方法品開發(fā)設(shè)計階段對產(chǎn)品進行疲勞壽命預(yù)測，特別橡膠材料的疲勞斷裂過程主要可分為兩個階是初始裂紋小于臨界裂紋幾個數(shù)量級并且橡膠產(chǎn)段：從無裂紋到小裂紋的裂紋形成階段和從小裂品的裂紋萌生壽命占全壽命的絕大部分比例的紋擴展直至斷裂階段。對于疲勞壽命研究也主要情況。從這兩方面展開，對應(yīng)的兩種壽命分析方法稱為早期的橡膠疲勞研究主要選取應(yīng)變參數(shù)(如裂紋萌生法和裂紋擴展法。實際應(yīng)用中，裂

5、紋萌工程應(yīng)變、八面體切應(yīng)變、最大剪應(yīng)變等)作為疲生階段和裂紋擴展階段之間的分界比較模糊，一勞損傷參量。1940年，S．M．Cadwell等Ⅲ在研究般針對有明顯缺口或裂紋的結(jié)構(gòu)，疲勞壽命的計非填充硫化膠的疲勞壽命時發(fā)現(xiàn)：在保持應(yīng)變幅算方法是基于裂紋擴展法；而對于無明顯缺口或值恒定的情況下，天然橡膠的疲勞壽命隨著循環(huán)最小應(yīng)變的增大而延長，并且在最小應(yīng)變小于作者簡介：王吳(199o)，男，陜西漢中人，清華大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事橡膠疲勞計算方法以及疲勞實驗方面的研究200的情況下都能觀察到這一現(xiàn)象，而當最小應(yīng)工作。變超過

6、這一水平后，疲勞壽命又會隨著最小應(yīng)變58O輪胎工業(yè)2015年第35卷的增大而縮短。隨后w．V．Mars等用類似的放率或者J一積分)時間歷程的條件下，根據(jù)已知材方法研究了最小應(yīng)變對兩種合成橡膠疲勞壽命的料裂紋擴展特性預(yù)測材料的疲勞裂紋擴展速率。影響。一般來說，對于應(yīng)變結(jié)晶的橡膠，循環(huán)加載斷裂力學(xué)的概念最先由Grifith在1920年最小應(yīng)變的增大可以提高疲勞壽命。S．M．Cad左右研究金屬疲勞問題時首次提出。斷裂力學(xué)描well的研究沒有提到如何將載荷狀態(tài)相對簡單的述的是從材料內(nèi)部形成裂紋直至材料破壞的過實驗結(jié)果應(yīng)用于復(fù)雜

7、應(yīng)變條件下橡膠材料疲勞壽程，主要研究裂紋的擴展速率和材料性質(zhì)、裂紋長度、結(jié)構(gòu)尺寸以及外加載荷之間的關(guān)系。命的預(yù)測。而此后一些學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，基于R．s．Rivlin等將Griffith的方法應(yīng)用于橡應(yīng)變的疲勞損傷參量無法將簡單拉伸和等雙軸拉膠材料撕裂問題的研究中。他們發(fā)現(xiàn)橡膠材料的伸的疲勞壽命統(tǒng)一起來，J．F．Roach_3]通過研究疲勞裂紋擴展速率由每單位裂紋面積內(nèi)的應(yīng)變能得出的結(jié)論是應(yīng)變疲勞損傷參量與橡膠多軸疲勞變化量唯一確定，這一變化量被稱為材料的撕裂壽命的相關(guān)性較小。能或能量釋放率。A．N．Gent等測試了3

8、種不隨著斷裂力學(xué)理論在橡膠疲勞研究方面的逐同幾何結(jié)構(gòu)的帶有單邊缺口的平面拉伸試樣的裂步應(yīng)用，從2o世紀5o年代開始，與應(yīng)變能相關(guān)的紋擴展特性，實驗發(fā)現(xiàn)3種不同結(jié)構(gòu)的試樣得到函數(shù)逐漸被用作橡膠材料的疲勞損傷參量。與使的裂紋擴展速率和撕裂能峰值之間的關(guān)系是相同用應(yīng)變或等效應(yīng)力作為疲勞損傷參量相比，使用的，由此證明橡膠裂紋擴展速率與撕裂