專(zhuān)利名稱：一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料性能評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)技術(shù)，特別是一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞 性能的方法。
背景技術(shù)：
粘彈性材料在減振降噪工程中大量采用，用于將振動(dòng)能量衰減，轉(zhuǎn)化為熱能或其 他形式。而粘彈性材料在這種振動(dòng)疲勞情況下，性能將發(fā)生變化，準(zhǔn)確地獲得這些性能的變 化，并對(duì)其長(zhǎng)期使用性能進(jìn)行預(yù)測(cè)是非常重要的，這將為更好的發(fā)揮材料的性能，為材料的 全周期管理提供堅(jiān)實(shí)的保證。目前用于測(cè)試各種結(jié)構(gòu)器件，尤其是金屬結(jié)構(gòu)件的儀器較多。用于研究粘彈性材 料的振動(dòng)疲勞性能也不少，例如疲勞機(jī)，可通過(guò)調(diào)整變形幅度和振動(dòng)疲勞次數(shù)，考察粘彈性 材料或器件的性能變化情況。但獲得的材料信息有限，一般僅限于通過(guò)研究材料或器件的 應(yīng)力一應(yīng)變變化情況。公開(kāi)號(hào)為CN101187615A的發(fā)明專(zhuān)利《一種橡塑粘彈元器件疲勞性 能的評(píng)價(jià)方法》，通過(guò)測(cè)試在規(guī)定的試驗(yàn)周期內(nèi)能量損耗變化率，或是測(cè)試達(dá)到規(guī)定的能量 損耗變化率時(shí)的試驗(yàn)周期來(lái)評(píng)價(jià)不同產(chǎn)品臺(tái)架疲勞試驗(yàn)壽命，其能量損耗變化率數(shù)值與產(chǎn) 品疲勞程度的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，便于定量分析和比較，可直接、真實(shí)地反映產(chǎn)品自身內(nèi)在結(jié)構(gòu)的疲 勞狀況。但該發(fā)明采用滯后圈的面積大小為能量損耗的依據(jù)，考察的是制品的耐疲勞性能， 不能直接反應(yīng)材料在振動(dòng)疲勞下的性能變化情況。美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 5,396,804 ((Apparatus and method for force-controlled fatiguetesting》發(fā)明了一種用于受控應(yīng)力的疲勞測(cè)試裝置和方法，驅(qū)動(dòng)裝置用來(lái)產(chǎn)生施 加在測(cè)試樣品上的應(yīng)力，獲得被測(cè)材料樣品性能隨時(shí)間變化情況，將產(chǎn)生的反饋信號(hào)作為 被測(cè)樣品性能變化的函數(shù)。這樣通過(guò)反饋信號(hào)計(jì)算出動(dòng)作命令信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)處理反饋 信號(hào)，然后向激勵(lì)器發(fā)出動(dòng)作命令信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)命令信號(hào)做出響應(yīng)，這樣在測(cè)試樣品性 能變化期間，驅(qū)動(dòng)器對(duì)命令信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)，能夠保持施加在樣品上的應(yīng)力處在相對(duì)穩(wěn)定的 量值。但是該專(zhuān)利主要側(cè)重于對(duì)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中施加應(yīng)力的穩(wěn)定控制方面，不涉及粘 彈性材料振動(dòng)疲勞性能的預(yù)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法。為了實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問(wèn)題的目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案本發(fā)明的一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，將要預(yù)測(cè)振動(dòng)疲勞特性的粘 彈性材料加工成粘彈儀所需的尺寸大小，并根據(jù)材料在實(shí)際使用環(huán)境下的狀態(tài)，確定振動(dòng) 疲勞試驗(yàn)樣品的受力方式、溫度、振動(dòng)變形幅值等，進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，每一固定循環(huán)疲勞 周期過(guò)后，獲取材料的各種性能參數(shù)，對(duì)獲得的粘彈性材料性能參數(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)材料長(zhǎng) 期性能及壽命周期。本發(fā)明的一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其具體的技術(shù)方案和實(shí)施步驟如下步驟一根據(jù)要預(yù)測(cè)振動(dòng)疲勞特性的粘彈性材料實(shí)際所處環(huán)境，確定振動(dòng)疲勞試 驗(yàn)樣品受力方式；步驟二 根據(jù)受力方式不同，確定所需粘彈性材料的形狀和尺寸大小；步驟三根據(jù)粘彈性材料所處環(huán)境，確定振動(dòng)試驗(yàn)條件，包括溫度、振動(dòng)疲勞周期、 振動(dòng)幅值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的頻次以及激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型；激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型包括但不限于正弦 激勵(lì)、半正弦激勵(lì)、三角信號(hào)激勵(lì)等；步驟四進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，如有必要可改變?cè)囼?yàn)條件包括溫度、振動(dòng)疲勞周期、 振動(dòng)幅值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的頻次以及激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型進(jìn)行多輪次試驗(yàn)，獲得不同振動(dòng)周期 下的材料性能數(shù)據(jù)；步驟五分析處理這些材料性能數(shù)據(jù)，研究測(cè)試溫度、變形幅度、振動(dòng)疲勞周期等 對(duì)粘彈性材料性能的影響作用規(guī)律，建立材料性能隨振動(dòng)次數(shù)增加的數(shù)學(xué)模型，并分析模 型參數(shù)的意義以及模型參數(shù)的影響因素，具體如下A、利用粘彈儀振動(dòng)疲勞模式，測(cè)試粘彈性材料在特定溫度條件、特定頻率和特定 變形幅度的振動(dòng)疲勞狀態(tài)下的性能隨振動(dòng)周期的變化，這些性能包括動(dòng)態(tài)楊氏模量、損耗 因子等；B、分析處理這些材料性能數(shù)據(jù)，建立特定條件下，粘彈性材料動(dòng)態(tài)模量和損耗因 子隨振動(dòng)周期的函數(shù)關(guān)系模型，并賦予粘彈性材料性能參數(shù)物理意義，E/ (TnC^Nd1)= AuexpGN/U+EuTa)，其中T1振動(dòng)疲勞試驗(yàn)溫度，(I1為振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的振動(dòng)幅度，N為 振動(dòng)疲勞周期，f為振動(dòng)頻率，A"、Nuo, Euo為模型參數(shù)；C、若需要了解粘彈性材料在其他試驗(yàn)條件下的振動(dòng)疲勞性能，依據(jù)材料所處的 環(huán)境條件，確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的溫度、振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率，分析E2' (T2, d2，N, f2) = A2, 0exp(-N/N2,0)+E2,0(Pa)模型參數(shù)的物理意義；若需要采用加速老化振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，可提高 振動(dòng)幅值、測(cè)試溫度，開(kāi)展一系列振動(dòng)疲勞試驗(yàn)；并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立材料性能與試驗(yàn)條件 的數(shù)學(xué)模型；包括 E3' (T3, d3，N，f3) = A3,0exp (_N/N3,0) +E3,0 (Pa) · · · En' (Tn，dn，N，fn)= An,oeXp(-N/Nn,。)+En,。(Pa)；D、對(duì)振動(dòng)疲勞前后的粘彈性材料進(jìn)行變溫度和頻率的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，并采用 經(jīng)驗(yàn)公式(1)和經(jīng)驗(yàn)公式(2)，進(jìn)行主曲線擬合；對(duì)比振動(dòng)疲勞前后粘彈性材料性能變化和 主曲線擬合參數(shù)變化情況，將振動(dòng)疲勞數(shù)學(xué)模型的溫度和振動(dòng)頻率相關(guān)的模型參數(shù)進(jìn)行進(jìn) 一步的優(yōu)化；主曲線應(yīng)用的基本原理為通過(guò)WLF方程建立移動(dòng)因子與溫度之間的關(guān)系，利用模 量和損耗因子在橡膠區(qū)_玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)_玻璃態(tài)區(qū)變化的典型曲線形狀，利用經(jīng)驗(yàn)公式(1) 和經(jīng)驗(yàn)公式(4)，利用非線性最小二乘法獲得殘差最小時(shí)，典型曲線的幾個(gè)參數(shù)，從而將測(cè) 試得到的數(shù)據(jù)擬合成主曲線。E' -Fe曲線的經(jīng)驗(yàn)公式(1)為
權(quán)利要求
一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是將要預(yù)測(cè)振動(dòng)疲勞特性的粘彈性材料加工成粘彈儀所需的尺寸大小，并根據(jù)材料在實(shí)際使用環(huán)境下的狀態(tài)，確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)樣品的受力方式、溫度、振動(dòng)變形幅值，進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，每一固定循環(huán)疲勞周期過(guò)后，獲取材料的各種性能參數(shù)，對(duì)獲得的粘彈性材料性能參數(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)材料長(zhǎng)期性能及壽命周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是該方法包含 以下的具體的技術(shù)方案和步驟步驟一根據(jù)要預(yù)測(cè)振動(dòng)疲勞特性的粘彈性材料實(shí)際所處環(huán)境，確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)樣 品受力方式；步驟二 根據(jù)受力方式不同，確定所需粘彈性材料的形狀和尺寸大??；步驟三根據(jù)粘彈性材料所處環(huán)境，確定振動(dòng)試驗(yàn)條件，包括溫度、振動(dòng)疲勞周期、振動(dòng) 幅值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的頻次以及激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型；步驟四進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，并改變或者不改變?cè)囼?yàn)條件包括溫度、振動(dòng)疲勞周期、振 動(dòng)幅值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的頻次以及激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型進(jìn)行多輪次試驗(yàn)，獲得不同振動(dòng)周期下 的材料性能數(shù)據(jù)；步驟五分析處理這些材料性能數(shù)據(jù)，研究測(cè)試溫度、變形幅度、振動(dòng)疲勞周期等對(duì)粘 彈性材料性能的影響作用規(guī)律，建立材料性能隨振動(dòng)次數(shù)增加的數(shù)學(xué)模型，并分析模型參 數(shù)的意義以及模型參數(shù)的影響因素，具體如下A、利用粘彈儀振動(dòng)疲勞模式，測(cè)試粘彈性材料在特定溫度條件、特定頻率和特定變 形幅度的振動(dòng)疲勞狀態(tài)下的性能隨振動(dòng)周期的變化，這些性能包括動(dòng)態(tài)楊氏模量、損耗因 子；B、分析處理這些材料性能數(shù)據(jù)，建立特定條件下，粘彈性材料動(dòng)態(tài)模量和損耗因子隨 振動(dòng)周期的函數(shù)關(guān)系模型，并賦予粘彈性材料性能參數(shù)物理意義；C、若需要了解粘彈性材料在其他試驗(yàn)條件下的振動(dòng)疲勞性能，依據(jù)材料所處的環(huán)境條 件，確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的溫度、振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率，分析E2' (T2, d2，N, f2) = A2j0exp (-N/ N2,0)+E2,0(Pa)模型參數(shù)的物理意義；若需要采用加速老化振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，可提高振動(dòng)幅值、 測(cè)試溫度，開(kāi)展一系列振動(dòng)疲勞試驗(yàn)；并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立材料性能與試驗(yàn)條件的數(shù)學(xué)模 型；D、對(duì)振動(dòng)疲勞前后的粘彈性材料進(jìn)行變溫度和頻率的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，并采用經(jīng)驗(yàn) 公式(1)和經(jīng)驗(yàn)公式(2)，進(jìn)行主曲線擬合；對(duì)比振動(dòng)疲勞前后粘彈性材料性能變化和主曲 線擬合參數(shù)變化情況，將振動(dòng)疲勞數(shù)學(xué)模型的溫度和振動(dòng)頻率相關(guān)的模型參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步 的優(yōu)化；主曲線應(yīng)用是通過(guò)WLF方程建立移動(dòng)因子與溫度之間的關(guān)系，利用模量和損耗因子 在橡膠區(qū)-玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)-玻璃態(tài)區(qū)變化的典型曲線形狀，利用經(jīng)驗(yàn)公式(1)和經(jīng)驗(yàn)公式 (4)，利用非線性最小二乘法獲得殘差最小時(shí)，典型曲線的幾個(gè)參數(shù)，從而將測(cè)試得到的數(shù) 據(jù)擬合成主曲線E' -Fk曲線的經(jīng)驗(yàn)公式(1)為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述的步驟 一中，其具體確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)樣品受力方式的方法是如果粘彈性材料處于拉伸、剪切或 壓縮工作環(huán)境，那么相應(yīng)對(duì)材料樣品的受力方式為拉伸、剪切或壓縮相同的受力狀態(tài)，振動(dòng) 疲勞試驗(yàn)所采用的振動(dòng)幅值的大小應(yīng)與粘彈性材料所處的實(shí)際環(huán)境的振動(dòng)幅值一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述的根據(jù) 粘彈性材料所處環(huán)境，確定振動(dòng)試驗(yàn)條件，其具體的方法是對(duì)粘彈性材料所處的環(huán)境進(jìn) 行分析，分析環(huán)境溫度、振動(dòng)疲勞的頻率特性、材料的振動(dòng)幅值以及材料所處的應(yīng)力狀態(tài)類(lèi) 型，從而確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)所采用的溫度、振動(dòng)疲勞周期、振動(dòng)幅值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的頻次 以及激勵(lì)信號(hào)的類(lèi)型，應(yīng)使振動(dòng)疲勞試驗(yàn)條件與材料使用環(huán)境條件一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述的步驟 五中建立特定條件下粘彈性材料動(dòng)態(tài)模量和損耗因子隨振動(dòng)周期的函數(shù)關(guān)系模型，其具體 模型為D/ (T1, Cl1, N, = Alj0exp (-NZN1 j0)+Elj0 (Pa)。其中，D'為動(dòng)態(tài)模量或損耗因子 等目標(biāo)函數(shù)，Tpdplf1均為自變量。T1振動(dòng)疲勞試驗(yàn)溫度，Cl1為振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的振動(dòng)幅 度，N為振動(dòng)疲勞周期，為振動(dòng)頻率，Au、Nuo, Euo為模型參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述的步驟 五中采用數(shù)理方程進(jìn)行主曲線擬合的具體方法和方程是通過(guò)WLF方程建立移動(dòng)因子與溫 度之間的關(guān)系，利用模量和損耗因子在橡膠區(qū)_玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)_玻璃態(tài)區(qū)變化的典型曲線 形狀，利用經(jīng)驗(yàn)公式(1)和經(jīng)驗(yàn)公式(4)，利用非線性最小二乘法獲得殘差最小時(shí)，典型曲 線的參數(shù)，從而將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)擬合成主曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述的步 驟五中將振動(dòng)疲勞數(shù)學(xué)模型的溫度和振動(dòng)頻率相關(guān)的模型參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化的具體方法是根據(jù)對(duì)振動(dòng)疲勞老化后的粘彈性材料的變溫頻動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得 到WLF方程的具體表達(dá)式，建立溫度與頻率的聯(lián)系，將數(shù)學(xué)模型E1' (T1, Cl1, N, =A1, 0exp ("N/Nlj0) +Elj0 (Pa)中的溫度與頻率變量合并變?yōu)?E1 ‘ (Fe, (I1，N，= Alj0exp (-爽 C1HE^ (Pa)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，其特征是所述步驟五 中B中，粘彈性材料性能參數(shù)為動(dòng)態(tài)模量、損耗因子、剛度、靜態(tài)模量、每疲勞周期損耗能量。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種預(yù)測(cè)粘彈性材料振動(dòng)疲勞性能的方法，將要預(yù)測(cè)振動(dòng)疲勞特性的粘彈性材料加工成粘彈儀所需的尺寸大小，并根據(jù)材料在實(shí)際使用環(huán)境下的狀態(tài)，確定振動(dòng)疲勞試驗(yàn)樣品的受力方式、溫度、振動(dòng)變形幅值等，進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，每一固定循環(huán)疲勞周期過(guò)后，獲取材料的各種性能參數(shù)，對(duì)獲得的粘彈性材料性能參數(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)材料長(zhǎng)期性能及壽命周期。通過(guò)本發(fā)明可以獲得粘彈性材料的振動(dòng)疲勞特性，可預(yù)測(cè)粘彈性材料在振動(dòng)疲勞下的長(zhǎng)期性能和并可用于預(yù)測(cè)壽命。
文檔編號(hào)G01N3/32GK101975704SQ20101029863
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者張曉玲, 李宏偉, 王兵, 王雯霏 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所