一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法

摘要

本发明介绍了一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，将要预测振动疲劳特性的粘弹性材料加工成粘弹仪所需的尺寸大小，并根据材料在实际使用环境下的状态，确定振动疲劳试验样品的受力方式、温度、振动变形幅值等，进行振动疲劳试验，每一固定循环疲劳周期过后，获取材料的各种性能参数，对获得的粘弹性材料性能参数进行分析，预测材料长期性能及寿命周期。通过本发明可以获得粘弹性材料的振动疲劳特性，可预测粘弹性材料在振动疲劳下的长期性能和并可用于预测寿命。

主权项

一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是：将要预测振动疲劳特性的粘弹性材料加工成粘弹仪所需的尺寸大小，并根据材料在实际使用环境下的状态，确定振动疲劳试验样品的受力方式、温度、振动变形幅值，进行振动疲劳试验，每一固定循环疲劳周期过后，获取材料的各种性能参数，对获得的粘弹性材料性能参数进行分析，预测材料长期性能及寿命周期，具体的技术方案和步骤为：步骤一：根据要预测振动疲劳特性的粘弹性材料实际所处的拉伸、剪切或压缩工作环境，相应对材料样品的受力方式为与拉伸、剪切或压缩相同的受力状态，振动疲劳试验所采用的振动幅值的大小与粘弹性材料所处的实际环境的振动幅值一致；步骤二：根据受力方式不同，确定所需粘弹性材料的形状和尺寸大小；步骤三：根据粘弹性材料所处环境，确定振动试验条件，包括温度、振动疲劳周期、振动幅值、试验数据获取的频次以及激励信号的类型；具体方法为对粘弹性材料所处的环境进行分析，分析环境温度、振动疲劳的频率特性、材料的振动幅值以及材料所处的应力状态类型，从而确定振动疲劳试验所采用的温度、振动疲劳周期、振动幅值、试验数据获取的频次以及激励信号的类型，应使振动疲劳试验条件与材料使用环境条件一致；步骤四：进行振动疲劳试验，并改变试验条件包括温度、振动疲劳周期、振动幅值、试验数据获取的频次以及激励信号的类型进行多轮次试验，获得不同振动周期下的材料性能数据；步骤五：分析处理这些材料性能数据，研究测试温度、变形幅度、振动疲 劳周期对粘弹性材料性能的影响作用规律，建立材料性能随振动次数增加的数学模型，其具体模型为：D1′(T1，d1，N，f1)＝A1，0 exp(‑N/N1，0)+E1，0，其中，D1′为动态杨氏模量或损耗因子，T1、d1、N、f1均为自变量；T1为振动疲劳试验温度，d1为振动疲劳试验的振动幅度，N为振动疲劳周期，f1为振动频率，A1，0、N1，0、E1，0为模型参数，其中A1，0为指数函数的系数，N1，0为函数中与振动周期相关的系数，E1，0为与振动疲劳相关的材料系数；并分析模型参数的意义以及模型参数的影响因素，具体如下：A、利用粘弹仪振动疲劳模式，测试粘弹性材料在特定温度条件、特定频率和特定变形幅度的振动疲劳状态下的性能随振动次数的变化，这些性能包括动态杨氏模量、损耗因子；B、分析处理这些材料性能数据，建立在上述特定温度条件、特定频率和特定变形幅度的振动疲劳状态下，粘弹性材料动态杨氏模量和损耗因子随振动次数的函数关系模型，并赋予粘弹性材料性能参数物理意义；C、了解粘弹性材料在其他试验条件下的振动疲劳性能，依据材料所处的环境条件，确定振动疲劳试验的温度、振动幅度和振动频率，分析E2′(T2，d2，N，f2)＝A2，0exp(‑N/N2，0)+E2，0模型参数的物理意义，其中A2，0为指数函数的系数，N2，0为函数中与振动周期相关的系数，E2，0为与振动疲劳相关的材料系数；T2、d2、N、f2均为自变量；T2为振动疲劳试验温度，d2为振动疲劳试验的振动幅度，N为振动疲劳周期，f2为振动频率；采用加速老化振动疲劳试验时，提高振动幅值、测试温度，开展一系列振动疲劳试验；并根据试验数据建立材料性能与试验条件的数学模型；D、对振动疲劳前后的粘弹性材料进行变温度和频率的动态力学性能试验，并采用经验公式(1)和经验公式(2)，进行主曲线拟合；对比振动疲劳前后粘 弹性材料性能变化和主曲线拟合参数变化情况，将振动疲劳数学模型的温度和振动频率相关的模型参数进行进一步的优化；主曲线应用是通过WLF方程建立移动因子与温度之间的关系，利用动态杨氏模量和损耗因子在橡胶区‑玻璃化转变区‑玻璃态区变化的典型曲线形状，利用经验公式(1)和经验公式(4)，利用非线性最小二乘法获得残差最小时，典型曲线的几个参数，从而将测试得到的数据拟合成主曲线：E′‑FR曲线的经验公式(1)为： log E ′ = log E L + 2 log E 0 E L 1 + ( F R 0 F R ) N - - - ( 1 ) 其中，EL、E0、FR0、N是决定E′曲线的形状的参数，EL是低频时渐近线值，E0、FR0是曲线的拐点坐标，N为拐点的斜率，FR为折算频率；经验公式(2)、(3)为FR＝f·αT                                     (2)logαT＝‑C1(T‑Ts)/[C2+(T‑Ts)]，                (3)式中，C1，C2对于任一给定的聚合物而言，为常数；f为频率；参数αT、Ts、T，分别代表移动因子、参考温度和实际温度；这一关系式给出了温度与频率的内在联系；粘弹性材料损耗因子β‑FR的经验公式(4)为： log β = log β 0 + 1 / 2 ( S L + S H ) log F R F R 0 + C 2 ( S L - S H ) [ 1 - 1 + ( 1 C log F R F R 0 ) 2 ] , - - - ( 4 ) 同样，β0、SL、SH、C、FR0是决定曲线形状的参数，β0影响曲线的上下位置，FR0决定曲线的水平位置，SL、SH分别是高频端和低频端的斜率，C是使曲线沿水平轴伸长或者压缩；步骤六、运用这些模型，即可预测粘弹性材料振动疲劳性能，并可根据性能的演化情况，确定材料的寿命。