专利名称：一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种材料性能评价与预测技术，特别是一种预测粘弹性材料振动疲劳 性能的方法。
背景技术：
粘弹性材料在减振降噪工程中大量采用，用于将振动能量衰减，转化为热能或其 他形式。而粘弹性材料在这种振动疲劳情况下，性能将发生变化，准确地获得这些性能的变 化，并对其长期使用性能进行预测是非常重要的，这将为更好的发挥材料的性能，为材料的 全周期管理提供坚实的保证。目前用于测试各种结构器件，尤其是金属结构件的仪器较多。用于研究粘弹性材 料的振动疲劳性能也不少，例如疲劳机，可通过调整变形幅度和振动疲劳次数，考察粘弹性 材料或器件的性能变化情况。但获得的材料信息有限，一般仅限于通过研究材料或器件的 应力一应变变化情况。公开号为CN101187615A的发明专利《一种橡塑粘弹元器件疲劳性 能的评价方法》，通过测试在规定的试验周期内能量损耗变化率，或是测试达到规定的能量 损耗变化率时的试验周期来评价不同产品台架疲劳试验寿命，其能量损耗变化率数值与产 品疲劳程度的关联性强，便于定量分析和比较，可直接、真实地反映产品自身内在结构的疲 劳状况。但该发明采用滞后圈的面积大小为能量损耗的依据，考察的是制品的耐疲劳性能， 不能直接反应材料在振动疲劳下的性能变化情况。美国发明专利 5,396,804 ((Apparatus and method for force-controlled fatiguetesting》发明了一种用于受控应力的疲劳测试装置和方法，驱动装置用来产生施 加在测试样品上的应力，获得被测材料样品性能随时间变化情况，将产生的反馈信号作为 被测样品性能变化的函数。这样通过反馈信号计算出动作命令信号。计算机通过处理反馈 信号，然后向激励器发出动作命令信号。驱动装置对命令信号做出响应，这样在测试样品性 能变化期间，驱动器对命令信号产生响应，能够保持施加在样品上的应力处在相对稳定的 量值。但是该专利主要侧重于对振动疲劳试验过程中施加应力的稳定控制方面，不涉及粘 弹性材料振动疲劳性能的预测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法。为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案本发明的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。本发明的一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其具体的技术方案和实施步骤如下步骤一根据要预测振动疲劳特性的粘弹性材料实际所处环境，确定振动疲劳试 验样品受力方式；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；激励信号的类型包括但不限于正弦 激励、半正弦激励、三角信号激励等；步骤四进行振动疲劳试验，如有必要可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、振动疲劳周期等 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，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周期的变化，这些性能包括动态杨氏模量、损耗 因子等；B、分析处理这些材料性能数据，建立特定条件下，粘弹性材料动态模量和损耗因 子随振动周期的函数关系模型，并赋予粘弹性材料性能参数物理意义，E/ (TnC^Nd1)= AuexpGN/U+EuTa)，其中T1振动疲劳试验温度，(I1为振动疲劳试验的振动幅度，N为 振动疲劳周期，f为振动频率，A"、Nuo, Euo为模型参数；C、若需要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(Pa)模型参数的物理意义；若需要采用加速老化振动疲劳试验，可提高 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；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、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；主曲线应用的基本原理为通过WLF方程建立移动因子与温度之间的关系，利用模 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' -Fe曲线的经验公式(1)为
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是该方法包含 以下的具体的技术方案和步骤步骤一根据要预测振动疲劳特性的粘弹性材料实际所处环境，确定振动疲劳试验样 品受力方式；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；步骤四进行振动疲劳试验，并改变或者不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、振动疲劳周期等对粘 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，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周期的变化，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，建立特定条件下，粘弹性材料动态模量和损耗因子随 振动周期的函数关系模型，并赋予粘弹性材料性能参数物理意义；C、若需要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) = A2j0exp (-N/ N2,0)+E2,0(Pa)模型参数的物理意义；若需要采用加速老化振动疲劳试验，可提高振动幅值、 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' -Fk曲线的经验公式(1)为
3.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述的步骤 一中，其具体确定振动疲劳试验样品受力方式的方法是如果粘弹性材料处于拉伸、剪切或 压缩工作环境，那么相应对材料样品的受力方式为拉伸、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应与粘弹性材料所处的实际环境的振动幅值一致。
4.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述的根据 粘弹性材料所处环境，确定振动试验条件，其具体的方法是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。
5.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述的步骤 五中建立特定条件下粘弹性材料动态模量和损耗因子随振动周期的函数关系模型，其具体 模型为D/ (T1, Cl1, N, = Alj0exp (-NZN1 j0)+Elj0 (Pa)。其中，D'为动态模量或损耗因子 等目标函数，Tpdplf1均为自变量。T1振动疲劳试验温度，Cl1为振动疲劳试验的振动幅 度，N为振动疲劳周期，为振动频率，Au、Nuo, Euo为模型参数。
6.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述的步骤 五中采用数理方程进行主曲线拟合的具体方法和方程是通过WLF方程建立移动因子与温 度之间的关系，利用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 线的参数，从而将测试得到的数据拟合成主曲线。
7.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述的步 骤五中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的具体方法是根据对振动疲劳老化后的粘弹性材料的变温频动态力学性能数据进行分析，得 到WLF方程的具体表达式，建立温度与频率的联系，将数学模型E1' (T1, Cl1, N, =A1, 0exp ("N/Nlj0) +Elj0 (Pa)中的温度与频率变量合并变为 E1 ‘ (Fe, (I1，N，= Alj0exp (-爽 C1HE^ (Pa)。
8.根据权利要求2所述预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法，其特征是所述步骤五 中B中，粘弹性材料性能参数为动态模量、损耗因子、刚度、静态模量、每疲劳周期损耗能量。
全文摘要
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。
文档编号G01N3/32GK101975704SQ20101029863
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者张晓玲, 李宏伟, 王兵, 王雯霏 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所