动态力学性能

关键词： 硅橡胶 动态 具有 性能

动态力学性能（精选十篇）

动态力学性能 篇1

通常采用DMA测试橡胶的动态力学性能,DMA可以反映不同温度和不同频率下材料的弹性模量和损耗因子,但无法表征其加工性能以及不同应变下材料的弹性模量和损耗因子。本研究采用RPA2000型橡胶加工分析仪表征SE系列苯基硅橡胶的动态力学性能,得到其动态力学性能的规律,为SE系列苯基硅橡胶的应用提供技术基础。

1 实验材料与方法

1.1 主要原料

SE2025,SE2035,SE045,SE2055,SE2065,SE2075苯基硅橡胶,北京航空材料研究院产品;气相法白炭黑,A380,赢创德固赛(中国)投资有限公司;羟基硅油,GY209,中昊晨光化工研究院;其他助剂,市售。

Note:Raw rubber 100 each.

1.2 试样制备

硫化胶试样:一段硫化:170℃×10min,二段硫化:200℃×4h。

1.3 测试与表征

采用橡胶加工分析仪:RPA2000;硫化:温度170℃,频率1.67Hz,应变6.98%(0.5deg);应变扫描:频率1.67Hz,温度60℃,应变(用转子摆动幅度表征)0.5%~90%;温度扫描:频率1.67Hz,应变6.98%,温度60,80,100,120,140,160℃和170℃;频率扫描:温度60℃,应变6.98%,频率1~31Hz。T2000E电子式拉力机;拉伸速率:(500±50)mm/min; 试样宽度:4mm;试样厚度:2mm。邵尔A型橡胶硬度计。橡胶回弹仪:GT-7042-RE。

2 结果与讨论

2.1 SE系列苯基硅橡胶硫化胶的力学性能

SE系列苯基硅橡胶的力学性能见表2。可以看出,SE系列苯基硅橡胶的硬度依次增大,拉断伸长率依次减小,抗拉强度先增后减,回弹率变化不明显,这些现象与气相法白炭黑加入量有关。白炭黑表面的—Si—O基团具有很强的活性,易于与其周围离子键合而起到补强作用[2],结构如图1所示。同时白炭黑粒子之间相互接触,相互接触的粒子连锁呈联枝状,白炭黑聚集体之间连接起来形成的附聚体呈网络结构,其作用力主要是范德华力,容易破坏,过程可逆[3]。白炭黑加入量越多,硬度增大,伸长率减小,抗拉强度先增

后减的原因是白炭黑用量达到一定程度在橡胶中形成了网络结构[4],而继续加入白炭黑并不益于网络结构的形成而导致抗拉强度下降。

2.2 不同应变下SE系列苯基硅橡胶的动态力学性能

通过应变扫描实验考察不同应变下混炼胶和硫化胶的动态性能,结果见图2~4和表3。从图2可以看

出,在相同应变条件下各硫化胶的弹性剪切模量G′依次增大,在低应变时各硫化胶的G′随应变的增大而迅速减小,在应变达到50%以后G′趋于平稳。从图3可以看出,在相同的应变条件下各硫化胶的损耗因子tanδ依次递增,SE2025~SE2065的tanδ随应变的增大而略有增加,SE2075在应变达到50%以后tanδ陡增。

苯基硅橡胶SE2025~SE2065中气相法白炭黑和羟基硅油的添加量逐步递增,羟基硅油作为结构控制剂,为防止结构化与白炭黑的加入量比例是1∶5。当白炭黑达到临界用量以上时便会形成附聚网络,这种附聚网络密度很大,需要吸入能量方能打破[5]。硫化胶SE2025~SE2045中白炭黑加入量在临界用量以下,不足以形成附聚网络,所以弹性模量G′和损耗因子tanδ随应变的增大变化不明显;而SE2055~SE2075中的白炭黑加入量在临界用量以上,形成了附聚网络结构,施加应变破坏了这种网络结构,所以弹性模量G′随应变增大而迅速下降。这种附聚网络在被

破坏时会消耗能量导致损耗因子tanδ增加,另外形变过程中分子链沿剪切方向运动,大体积的苯基有更高的位阻、不同链节之间以及分子链之间的相对运动均增大,分子间的摩擦也随之增加,这也会导致tanδ增加[6]。SE2075中加入了TMPTMA,TMPTMA分子中的双键参与硫化交联反应,提高了交联密度。在应变达到50%以后引起了分子链的滑移甚至交联点的断裂,这会大量消耗能量而导致tanδ迅速上升[7]。

表3反映了混炼胶的硫化特性,由表3看出几种硅橡胶的硫化速率相当,原因是所加硫化剂BIPB的量相同。表3中的最小弹性转矩SL′与加工性能相关[6],越小则加工性能越好,可以看出SE2065的加工性能最差。图4为混炼胶的黏性扭矩S″与应变的关系曲线图,黏性扭矩S″是黏性响应与形变速率的比值[8],反映了橡胶的黏性性质。可以看出SE系列混炼胶的黏性扭矩S″随应变的增加而增大,其中SE2065的黏性扭矩S″最大,说明其黏度最高。黏度高则加工性能差,表3和图4所反映的结论是一致的。SE2075中耐热的TMPTMA在混炼时有增塑作用,比较白炭黑和羟基硅油加入量相同的SE2065和SE2075,SE2075的加工性能优于SE2065。可以看出通过调节白炭黑、羟基硅油和TMPTMA的加入量来影响和控制工艺性能。

2.3 不同温度下SE系列苯基硅橡胶硫化胶的动态力学性能

通过温度扫描实验考察不同温度下硫化胶在剪切应力下的动态性能,结果见图5和图6。图5反映了随温度的升高硫化胶弹性模量的变化趋势,图6反映了随温度的升高硫化胶损耗因子的变化趋势。

从图5可以看出,SE2025~SE2045硫化胶的弹性模量G′在60~170℃的范围内随温度的升高变化不明显,尤其在130~170℃的范围内几乎无变化。这可能是因为一方面随温度的升高分子热运动越来越剧烈,克服橡胶大分子间作用力的能量越来越强,弹性模量G′呈下降趋势,另一方面胶料初步硫化时生成交联键,弹性模量G′有所增加,两方面的作用相互抵消,表现出来的结果是弹性模量随温度的变化不明显;而SE2055~SE2075硫化胶的G′随温度升高呈降低趋势,原因是这三种胶白炭黑的加入量比较多,白炭黑与橡胶结合提高了弹性模量G′,当温度增高,白炭黑形成的网状结构破碎,反而使胶料的弹性模量G′降低[5]。

从图6可以看出各硫化胶的损耗因子tanδ随温度的升高都表现出下降的趋势。这是因为温度升高链段运动的内摩擦阻力越来越小,同时随着交联键的增多,由硫化胶所损耗的能量比相应胶料所损耗的能量小得多,产生的热量降低[9],因此损耗因子tanδ呈降低趋势。

2.4 不同频率下SE系列苯基硅橡胶的动态力学性能

通过频率扫描实验考察不同频率下混炼胶和硫化胶在剪切应力下的动态性能,结果见图7和图8。从图7和图8看出混炼胶的损耗因子tanδ随频率的增加而降低,而橡胶硫化以后损耗因子tanδ随频率的增加而增加,并且可以看出混炼胶的损耗因子远远大于硫化胶的损耗因子。

苯基硅橡胶硫化后形成了交联键,在做频率扫描时,随频率的增加应变来不及对应力做出响应,所以损耗因子tanδ升高。而随着频率的增大,混炼胶的弹性模量比硫化胶的弹性模量变化明显,弹性模量增加幅度大于黏性模量,tanδ是黏性模量与弹性模量的比值,因而tanδ随频率的增大而减小。另外,频率增加外力作用速率加快,混炼胶的分子流动性更好,分子间相对位移更大,内耗更大,生热增加,应变滞后于应力现象明显,表现为tanδ较高[10,11]。硫化胶由于交联键的存在,导致弹性增大而黏性减少,所消耗的能量比相应的胶料所消耗的能量小,所以混炼胶的损耗因子tanδ大于硫化胶的损耗因子tanδ。

3 结论

(1)SE2025~SE2075各硫化胶随应变的增大弹性模量G′减小,在应变达到50%以后G′趋于平稳;损耗因子tanδ略有上升;混炼胶黏性扭矩S″随应变的增大而增大。

(2)SE2025~SE2045硫化胶的弹性模量G′在60~170℃的范围内随温度的升高变化不明显,而SE2055~SE2075硫化胶的G′随温度升高呈降低趋势;损耗因子tanδ随温度的升高呈降低趋势。SE2025~SE2075硫化速率相当。

(3)混炼胶损耗因子tanδ随频率的增加而减小,硫化胶损耗因子tanδ随频率的增加而增大,混炼胶损耗因子比硫化胶损耗因子大得多。

参考文献

[1]赵旭涛,刘大华.合成橡胶工业手册[M].2版.北京:化学工业出版社,2006.

[2]苏忠铁,刘淑梅,汪慧玲,等.RPA2000橡胶加工分析仪的检测功能[J].橡胶工业,2002,49(4):235-237.

[3]张庆军,莫文玲,王占乐.沉淀法制备纳米白炭黑的结构及性质的研究[J].硅酸盐通报,2005,(4):118-121.

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[5]郭建华,曾幸荣,李红强,等.白色填料对氟橡胶/硅橡胶共混胶性能的影响[J].有机硅材料,2010,24(6):337-341.

[6]毕薇娜,赵菲,翟俊学,等.硫化程度对天然橡胶动态性能的影响[J].特种橡胶制品,2007,28(5):28-30.

[7]毕薇娜,赵菲,史新妍.RPA分析硫黄用量对天然橡胶动态性能的影响[J].特种橡胶制品,2010,31(5):12-14.

[8]吴静珍.RPA2000检测功能的研究[J].橡塑资源利用,2010,(4):11-16.

[9]JOHN SD.用橡胶加工分析仪研究填充剂的黏性生热和补强效果[J].姚岐轩,译.橡塑技术与装备,2001,27(8):39-49.

[10]何曼君,张红东,陈维孝,等.高分子物理[M].3版.上海:复旦大学出版社,2006.

动态力学性能 篇2

NEPE固体推进剂动态力学性能的研究

利用傅立叶红外光谱仪及扭辫法研究了不同粘合剂系统中异氰酯活性基团与羟基基团的`当量比值(R)、扩链剂以及预聚时间(常温下)对NEPE固体推进剂的次级转变温度(Tgg)、脆化温度(Tb)、玻璃化温度(Tg)和相对刚度(Gr)等参量的影响.研究结果对该类推进剂配方设计和工艺参量选择提供了必要的实验依据.

作 者：侯竹林 韩盘铭 HOU Zhu-lin HAN Pan-ming  作者单位：北京理工大学化工与材料学院,北京,100081 刊 名：固体火箭技术  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY 年，卷(期)： 22(2) 分类号：V512+.2 关键词：高能推进剂   动态特性   力学实验  

研究汽车电控液压制动系统动态性能 篇3

摘 要：电控液压制动作为一种新型的汽车制动系统受到了越来越多人的关注，它的主要特点是采用高压油的制动方式取代汽车传统的人力功能的方式，它的优点有很多，主要包括相应的速度快、易于控制、方便节能等等，逐渐成为了研究的热点，汽车的制动性主要指的是在比较短的距离之内停车所需要的时间以及形式方向的稳定性，它是衡量汽车动态性能的主要标志，同样也与交通安全息息相关，本文研究的主要内容是电控液压制动系统的建模与必要的性能分析，包括在设计过程中的方案，实际系统的主要部件，同样包括在设计过程中的安全性考虑因素。

关键词：电控液压制动；制动系统；功能

中图分类号： U463 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-179-2

0 引言

自从19世纪世界上诞生的第一辆汽车以来，人们都非常的重视汽车中的制动系统，汽车制动系统大致经历的阶段主要包括以下几个方面：人力的制动到伺服制动、动力制动等等，前几年汽车的制动系统发展的比较缓慢，但是一直都在不断的更新和完善之中，同样也得到了良好的效果，为了能够进一步的去改善系统相应的速度，需要对系统的装配和性能进行深入的研究，将我国的汽车电控液压制动系统的动态性能上升到一个新的高度。

1 电控液压制动系统的结构与工作原理

首先是电控液压制动系统的结构，电控液压制动系统主要包括的内容有制定系数、能量的回馈和整个车的控制器，在制动能量回馈系统中，主要包括可逆电机控制器、蓄电池、电机和变速器等等，另外还有电子控制单元、传感器单元、车轮的制动器等部件，其中电子采集单元主要的作用是传递物理信号，并且向液压调节其发出控制命令，其中液压调节器主要包括进油阀、出油阀、隔离阀等等，具体的内容如图1所示。

电控液压制动系统主要是由制动踏板的感觉模拟器、电控液压制动系统电控单元、电控液压制动系统液压控制单元组成，具体的图解如下图2所示。

其次是电控液压制动系统的工作原理。在电控液压制动系统工作的状态正常的情况之下，隔离阀的状态一般是关闭的，有效的阻断了车轮的制动器与主缸之间的制动，但是在储能器和液压泵失效的情况之下，隔离阀便会打开，通过驾驶员的操作实现制动的功能[1]。

2 电控液压制动系统的建模和性能的分析

在进行对电控液压制动系统建模的过程中，一般的方法很难清晰的表达出电控液压制动系统强非线性关系和强耦合关系，但是如果使用键合图的话就可以将这种关系体现的淋漓尽致，特别适合比较复杂的设计系统。

首先是键合图的介绍。所谓的键合图也就是经常说的功率键合图，它是一种非常重要的系统动力学的建模方法，可以通过多种多样的图形方式来表达出系统内部的结构，并且可以进行必要的仿真处理，可以让人们更加清晰的了解到其内部的结构，是一种十分有效的动态建模的分析方法，在键合图中有很多端口和多口的元件，另外还有很多的能量键，其中的指向是通过箭头形式来表达的，理解了一定的图文规则之后，图形的表达就一目了然。

其次是电控液压制动系统的动态性能的表现主要是通过参数来体现和表达的，在增压过程参数模型分析中，首先打开进油阀此时蓄能器中的高压油就会进入到轮缸，在轮缸压力上升的过程也是电控液压制动系统增压的过程，如果在整个过程中，控制压力的上升速度只受电控液压制动系统参数的影响，以下从两个方面对电控液压制动系统动态性能进行分析。

2.1 轮缸压力上升的时间和蓄能器的关系

一般情况下，蓄能器的最高压力不会低于20mpa，在国外的一些汽车中蓄能器的工作压力一般为16～18mpa，另外还有电控液压制动系统的压力在14～16mpa，从图中可以看出，随着轮缸压力的不断增大，上升的时间也在不断的增加，在蓄能器的压力越来越高的情况之下，轮缸压力也越来越大，电控液压制动系统越来越稳定，在这个过程中不能完全的反应轮缸响应的速度，因此要选择目标压力的上升时间进行比较。

2.2 蓄能器预充气体的体积与工作次数的关系

选用的主要目标是0.25L的蓄能器，其中的变化幅度在±20%，其他的参数保持不变，进而进行仿真，从下图3来看，随着气体不断的增加，工作的次数也在不断的增加，工作次数的上升有利于工作效率的提高[2]。

3 控制器控制结果的比较

为了能够更好的去提高电控液压制动系统的动态性能，一般都会选用必要的控制算法进行控制，控制的效果一般都是通过方针来实现的，仿真的比较主要从以下三个方面进行，首先是控制器在一个新的环境中的控制效果分析，其次是在参数变化之后的控制效果，最后是预测未来的随机干预的效果，在此次研究中主要对控制器在典型工况中的相应物效果进行分析，主要从PID、鲁棒、模糊方面进行比较分析，PID的控制速度比较快但是在减压的过程中出现了一定的延迟，在0.6～1.2s这段时间中，三种控制器都出现了不同情况的静差，但是PID控制的静差最小。

4 结束语

综上所述，电控液压制动系统是一种线性的控制系统，因为具有独特的优势使得它的应用更加的广泛，应用的前景也更加的广阔，本文主要从电控液压制动系统的结构和工作的原理进行分析，在明确了具体的工作模式之后，对反应电控液压制动系统的各个参数进行分析研究，总结出了蓄能器和轮缸气体压力的关系，然后对三种控制器的控制效果进行分析，研究发现综合各方面的结果来说，PID控制器的控制效果是最好的，它的反应比较的灵敏，但是特别容易出现超调震荡，控制起来不方便，模糊控制是一种比较中庸的控制方式，控制效果适中，抗干扰的性能比较强，电控液压制动系统中还存在这一定的问题，需要不断的去研究，及时的去调整参数，使得汽车电控液压制动系统动态的性能越来越好。

参 考 文 献

[1] 金智林，郭立书，施瑞康，赵又群，施正堂.汽车电控液压制动系统动态性能分析及试验研究[J].机械工程学报，2012（12）：127-132.

[2] 金智林，段博文，王睿，杨维妙.基于AMESim的电控液压制动系统动态性能分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2014（03）：1-5.

混凝土材料的动态力学性能分析 篇4

关键词：混凝土材料,动态力学,SHPB,性能

混凝土是应用最为广泛的工程材料, 各种工程方面都离不开混凝土材料的应用。但是混凝土材料也存在许多问题, 包括材料质地比较脆弱、内部组成部分相对复杂、骨料的尺寸较大以及均匀性不太好等。因此, 需要对混凝土材料进行动态力学性能的相关实验及研究。需要注明的是, SHPB实验是材料动态力学研究最为基本的方法之一, 通过SHPB设备对混凝土材料的动态力学性能进行研究也存在一定的难度。由于混凝土材料比较特殊, SHPB试验的相关假设条件不容易满足。因此, 该文结合混凝土材料的特性, 对SHPB实验技术进行修正, 以此对混凝土材料动态力学性能进行研究, 不足之处, 敬请指正。

1 动态力学性能研究

大部分混凝土建筑所能够承受的是较为缓慢的静态荷载, 然而一部分特殊的建筑物要求可以承受一定冲击荷载、抗冲击能力以及抗层裂能力。早期大多是对弹性模量的变化进行研究, 冲击试验一般是采用落锤设备。但是, 落锤设备不能对惯性效应进行考虑, 一些实验也无法得到应力-应变曲线, 得到的数据仅仅流于表面, 无法起到真正的比较作用。该文主要利用SHPB实验对混凝土材料动态力学性能进行探讨。

2 冲击压缩实验

实验结果同时证明混凝土材料一方面其应变率效应十分敏感, 另一方面是对损伤也存在较为显著的影响。表1是实验数据对比情况, 以此证明混凝土材料在发生变形时, 除了应变率效应之外, 还有其他两种效应, 分别是应变硬化效应以及损伤软化效应。如果混凝土试件材料承受比较小的冲击载荷, 那么混凝土所承受的损伤软化效应不是太显著。所以, 混凝土材料的整体表现可以总结为先应变硬化, 也就是应力会跟随应变的增大而增大;随着冲击载荷逐渐增大, 同时微裂隙也随之扩大, 损伤软化效应会逐渐增长到和应变硬化效应保持一致;如果冲击载荷持续增大, 损伤软化效应会逐渐加大, 混凝土材料失稳, 试件坍塌。

3 损伤演化实验

实验数据证明, 微裂隙、微空洞等混凝土损伤的出现会造成材料软化情况, 实际上最为明显的损伤软化效应, 对混凝土材料的影响更加显著。混凝土材料的组成部分相对复杂, 在成型时内部本身就存在许多微裂纹和微空洞, 所以对这些损伤演化过程进行研究也是该文重要组成部分。因为从微观上对损伤进行研究存在一定的难度, 因此只能换个角度, 从宏观的角度对其进行分析研究。也即是从宏观的层次对损伤定义, 用材料试件受损伤而引发宏观力学性能参数产生的变化对损伤进行度量。

混凝土材料一旦出现问题, 弹性模量就会发生变化, 因此也可以对损伤因子D进行确定, 从而可以得到混凝土材料损伤演化方程, 由此还得出损伤冻结实验。具体是指试件在受到冲击压缩时, 材料问题是如何出现和发展, 同时被限制于某一个固定的应变值上, 因此可以得出应变损伤值。这个数值一般是利用控制套在试件外面钢环的高度来得出, 应变率的数值利用控制子弹撞击速度来得出。本次共做了4组实验, 每次实验的应变率有所区别, 应变控制范围处于2000μ~3000μ之间, 应变率分别设置为23/s, 35/s, 45/s, 60/s。

4 损伤型动态本构关系

混凝土材料应变率进行大跨度动静态压缩实验, 得出的结果证明材料有显著的应变率效应, 在高应变率范围更加敏感, 所以应变率效率无法用Seeger模型进行描述, 可以利用朱-王-唐等人提出的非线性粘弹性本构方程

其中, 还需要按照混凝土材料实际特性, 对其进行改进。一是要把平衡态应力e考虑取一项, 弹性的部分认为是线形的;二是损伤因子D是本构模型中重要的内变量, 损伤因子也要添加进方程中。

5 实验思想

混凝土材料本身存在的破坏应变不大, 而且混凝土的组成部分相对而言比较复杂, 材料相当脆弱。混凝土材料在进行动态力学性能方面的试验研究过程中, 在一定程度上存在较大难度。所以一些动态力学性能实验中还引入其他技术, 可以适当处理大直径压杆波形弥散对材料产生的影响, 从而促进测量精度的提高, 继而提高混凝土材料的动态应力-应变曲线的稳定可靠性。除此之外, 通过动态力学性能试验可以对混凝土材料中微缺陷进行检验。微缺陷主要包括微裂隙和微空洞, 会对混凝土材料的力学性能产生较大的影响, 材料在做损伤试验的过程中就可以实现对其损伤演化规律进行研究。

6 结语

综上所述, 混凝土材料一方面属于应变率较为敏感的建筑材料, 同时其损伤软化效益比较显著。混凝土材料的高应变率敏感性不小于准静态实验敏感性, 所以无法选择一般的金属材料本构模型, 该文选取的是朱-王-唐粘弹性模型。该文对有关混凝土材料动态力学性能进行研究和探讨, 以及对于混凝土材料的特性研究, 以及混凝土材料的应用, 起到一定的促进作用。

参考文献

[1]马孝轩.我国主要土壤对混凝土材料腐蚀性分类[J].混凝土与水泥制品, 2003 (6) :6-7.

[2]陈兵, 吴科如, 姚武, 周钟鸣, 黄洪炳.损伤自诊断机敏混凝土材料研究[J].混凝土, 2002 (8) :3-5.

车辆动态性能测试系统招标 篇5

车辆动态性能道路测试系统能完成按照相关国家标准规定的主要汽车整车性能道路试验与数据分析，本系统主要包括以下整车道路试验的测试与数据分析：

(1)动力性试验(满足相关国家标准“汽车最低稳定车速试验方法”GB/T12547-2009、“汽车最高车速试验方法”GB/T12544-2012、“汽车加速性能试验方法”GB/T12543-2009、“汽车速度表、里程表校验校正方法”GB/T12548-1990、“汽车爬陡坡试验方法”GB/T12539-1990、“汽车牵引性能试验方法”GB/T12537-1990、“汽车滑行试验方法”GB/T12536-1990);

(2)燃料经济性试验(满足相关国家标准“汽车燃料消耗量试验方法 第一部分：乘用车燃料消耗量试验方法”GB/T12545.1-2008、“轻型汽车燃料消耗量试验方法”GB/T19233-2003)、“商用车辆燃油消耗量试验方法”GB/T12545.2-2001);

(3)制动性能试验(满足相关国家标准“汽车制动系统结构、性能和试验方法”GB/T12676-1999、“机动车和挂车防抱制动性能和试验方法”GB/T13594-2003);

(4)操纵稳定性试验(满足相关国家标准“汽车操纵稳定性试验方法”GB/T6323-2014);

三、测试系统工作条件

(1) 工作环境：温度 -40°C ～70°C，相对湿度<95%(不结露);

(2) 工作电源：9～36VDC及220V交流电，具有短路和短接保护功能;

(3)测试系统主要用于车辆道路试验和试验室试验，应符合车载使用条件，在试验时保持振动下的可靠性;

(4) 抗振动性能：满足MIL-STD 810F 514.5 procedure I

抗冲击性能：满足MIL-STD 810F 516.5 procedure I;

(5) 防护等级：不低于IP54;

四、系统基本组成

(1)数据信号采集系统(多种类型数据信号接口);

(2)整车姿态传感器(满足操稳性试验要求的陀螺仪);

(3)车速传感器;

(4)油耗传感器;

(5)方向盘力角测试仪;

(6)制动踏板触发及踏板力计;

(7)牵引力传感器;

(8)笔记本电脑;

(9)数据采集与车辆动态性能分析软件;

(10)电源适配器(逆变器)及交、直流电源线;

(11)各传感器满足本项目测试要求的配附及安装件。

五、主要技术参数

(1)数据信号采集系统(多种类型数据信号接口)，建议品牌型号： INDAS- 5000、DEWE43、2HE-PCI-T8。

处理器：400MHz实时处理器;

储存器：支持最高32G工业级SD卡(标配4G)，支持USB固态硬盘扩展外存储器;

采样率：250kS/s;

模拟电压/电流输入接口(至少16通道，支持电压、电流两种信号的接入,电压：±10V输入，电流：4mA-20 mA，精度：<0.1%);

频率(轮速)输入接口(至少8通道，测量范围：0Hz-500kHz;电平范围：±24V，供电：24VDC，精度：<0.1%)

车载专用采集器，高精度测速和触发逻辑全部由硬件完成，具有以下接口：

高速以太网数据通讯接口，兼容IEEE 802.3无线局域网;

GPS车速传感器接口;

油耗仪传感器接口(要求能接入正交TTL双脉冲信号，防反向抖动);

方向盘力角测试仪接口;

发动机转速传感器接口;

踏板力传感器接口;

踏板触发器接口;

CAN总线接口(连接INDAM模块和车辆ECU);

外检同步接口;

(2)整车姿态传感器(满足操稳性试验要求的惯性陀螺仪)，建议品牌型号：XFord 2500及3000系列陀螺仪、MTi-G-700、Ki-Smotion 、xProINS。

测速精度：0.1km/h;

侧倾角/俯仰角精度：0.05度;

航向角精度：0.15度;

跟踪角精度：0.15度;

侧滑角精度：0.25度;

加速度测量范围：10g;稳定性：2μg;非线性度：0.01%;

角速度测量范围：100度/秒;非线性度：0.05%;

(3)车速传感器(高精度20Hz级以上 GPS车速传感器)

卫星原始更新频率20Hz，3～5V有源天线，供电电源9～36VDC;

测速范围：0.1km/h ～ 500km/h;精度：0.1km/h;分辨率：0.001km/h;

测距范围：无限制;精度：< 30 cm/km (6颗卫星以上，匀速行驶);

分辨率：1mm

车速、距离偶数字量和模拟量输出;

具有供驾驶员(三参数显示器)和试验员(触摸彩色显示器)使用的两个显示器接口;

支持脱离电脑使用，可通过USB和以太网接口连接计算机;

具备模拟量输入通道，可再进行制动试验时实时监测最大踏板力;

具有触发输入通道，可连接制动开关;

配合油耗仪可完成燃油经济性试验;

QEI输入(支持1路正交编码器信号输入，可用于连接油耗仪等AB相信号输出型传感器，测量油耗时对回油进行计算)

可以同步采集CAN总线数据，包括从ECU获取转速等;

支持扩展INDAM系列数据采集模块，

(4)油耗传感器(带回油和循环冷却)，建议品牌型号：KISTLER -DFL1X、日本ONOSOKKI 、YT-826。

满足瞬时油耗、累积油耗测量。

适用燃料：汽油、柴油、生物柴油及其他代用燃料;

测量范围： 0.5-150 L/h;

分辨率：0.002L

测量精度：±0.5%;

重复性： ±0.2%;

工作压力：max. 5bar ;

供电电压：DC 10-26V及AC 220V;

内置压力调节器;

相关附件：信号线、电源线、耐高压软管和自封接头、不同的快速接头用于燃油输入和输出(含油滤)等。

(5)方向盘力角测量仪，建议品牌型号：KISTLER-SMW、法国FGP系列、FEL20。

测量参数：转向力矩、转向角和转向角速度

转向力矩：±250Nm/±50Nm

精度：0.1%FSO

转向角：>±1250°

转向速度：≤2000o/秒

精度：0.05°

供电：DC 10-26V及AC 220V

(6)制动踏板触发及踏板力计

量程：100kg(980N)，综合精度(线性+滞后+重复性)：0.5%，灵敏度：1.5mV/V，供桥电压：10VDC，工作温度：-20℃～+65℃，安全过载：150%FS

(7)牵引力传感器

量程：20T ，综合精度(线性+滞后+重复性)：0.5%，灵敏度：1.5mV/V，供桥电压：10VDC，工作温度：-20℃～+65℃，安全过载：150%FS

(8)笔记本电脑

显示屏15英寸，内存64GB，硬盘1T，正版64位Windows系统软件。

(9)数据采集与车辆动态性能分析软件

六、数据采集与车辆动态性能分析软件功能

本软件为中文Windows界面，兼容Windows XP和Windows 7等操作系统。采用模块化设计，简单易用，普通的熟悉电脑的人员只需要经过简单培训即可熟练操作。

(1)通用数据采集与基本分析

通用数据采集与基本分析模块软件需专为汽车测试而优化设计的，具有很强的通用性，能完成数采系统各通道参数设置、数据的采集、存储、分析、回放等功能，满足大多数汽车数据采集的要求。

软件界面及要求如下：(参考)

• 直接显示测量值

每个通道都可以设置传感器转换因子，可以设置增益和偏移值。也可以通过选择相应的测量功能和物理量范围，由软件自动来计算换算关系。这样在软件中显示、存储、分析的数据就直接是实际测量的物理量。

• 曲线示波

测试数据实时的以数值和曲线的.方式输出到界面中，多通道彩色示波器利用不同的颜色区分各个通道的数据曲线。用户可以选用自动坐标范围、或手动指定坐标范围。曲线可以进行平移、放大、鼠标读数、十字光标读数等操作。整个示波器可以复制到Word、Excel等软件中，方便用户进一步分析和制作报告。 • 虚拟通道

如果希望能直接得到通道间的运算值，比如压差、温差等，就可以利用虚拟通道来实现。虚拟通道可以由用户来设定加、减、乘、除、幂、对数、常用三角函数等复杂的计算，而参与这些复杂运算的变量可以为任意的模拟通道。软件会根据公式自动计算最后结果。虚拟通道的值和物理通道的值一起参与显示、绘制曲线、存储和分析。

• 数据存储与分析

用户可以指定数据存储开始的时间，存储总时间。也可以指定存储的存储路径和文件名。存储的数据可以方便的转换为EXCEL格式的文件，也可以事后导入到本软件中进行分析，可以采用回放的方式，播放之前采集的数据，示波器中会动态回放采集的整个过程。 • 通道描述信息

每个通道可以输入描述信息，比如传感器的位置、测量的物理量名称等。在主界面上可以选择显示物理通道名或描述信息，使测量数据的读数显得更加直观。

• 通道报警

每个通道可以设置报警模式、限值和是否启用报警。报警模式包括高低报警、只高报警和只低报警，一旦该通道的测量值超出了报警限值，软件会自动将报警发生的时间、通道、原因等显示在界面上，用户可以将报警信息导出存储到文本文件中。

• 频率测试通道

多个频率测试通道可以用来测量发动机转速、车速等脉冲信号，因为发动机转速一般需要除以齿轮数才能最后得到，软件的通道设置中，具有前置放大器设置项，用户只需要在设置项中填入齿轮数，软件就会自动换算出最终的转速。 • 通道设定功能齐全

用户可以设定采样时间间隔、测试功能、小数点位数、描述信息、线性计算、单位、前置放大器倍数、报警相关等信息。

• CAN2.0 总线参数同步采集

1) 读取、解析CAN总线上周期性报文中的参数，直接显示在软件界面上

2) 以1 Mb/s的速率记录100%总线载荷且不掉帧

3) 可选高速和低速模式

4) 遵循CAN2.0A和CAN2.0B标准

5) 支持SAEJ1939，SAEJ1587等上层协议 • 同步采集GPS、陀螺仪数据

用户可以选择接入的GPS或陀螺仪类型，软件将依据标准协议读取外部设备中的参数，并直接显示在软件界面中。获取到的这些参数可以和其他采集模块测到的数据一起进行同步存储、分析。

具有数据信号采集系统中各个数据通道的传感器参数设置、信号采集参数设置、多种格式的数字信号保存与常规分析(频谱分析、相关、相干分析等)等功能。

(2)汽车基本性能试验测试与分析

针对汽车基本性能试验的各个国家标准设计的软件，分成了5个专用的试验软件，每个软件都可以完成传感器识别、数据采集、数据存储与分析、报告生成等全部工作。其具体特点如下：

1) 软件可自动识别当前连接的采集模块的传感器，方便使用;

2) 全中文界面设计，简单易用;

3) 软件具有完善的存储、分析和数据回放功能;

4) 测试结果以数值和曲线的方式同步输出在软件界面中;

5) 测试曲线可以进行放大、平移、光标读数，可以拷贝到剪贴板或直接打印;

6) 软件可自动生成国家标准要求的格式报告，用户也可以自定义WORD|格式报告模板;

7) 原始数据可以转换成Microsoft Office Excel格式文件;

用户可以自动义软件测试流程，获取更多测试结果

专用软件完成汽车基本性能试验项目要求如下：

1)动力性试验

① 最低稳定车速、最高车速试验数据采集与分析软件

② 起步加速试验、直接档加速试验数据采集与分析

③ 汽车牵引性能试验数据采集与分析(需配接相应的牵引力传感器)

④ 车速里程表校验软件

⑤ 非接触车速传感器白线标定

2)经济性试验

① 滑行试验数据采集与分析

② 等速油耗试验数据采集与分析

③ 综合油耗试验数据采集与分析

3)制动性试验

① 制动性能试验数据采集与分析

4)汽车操纵稳定性试验测试与分析

①稳态回转试验

②转向轻便性试验

③转向回正试验

④转向盘角阶跃输入试验

⑤转向盘角脉冲输入试验

⑥蛇行试验

⑦转向盘中心区试验(2014最新标准)

(3)图文并茂的软件界面

蛇形试验界面

转向轻便性试验数据处理界面

转向轻便性试验结果表格

动态力学性能 篇6

【摘 要】小型甘蔗收割机砍蔗刀盘的振动是影响甘蔗宿根破头率的主要因素。引起砍蔗刀盘振动的因素很多，从提高砍蔗刀盘本身的动态性能的角度出发是解决砍蔗刀盘振动的可行方法。基于ANSYS参数设计语言建立了砍蔗刀盘参数化模型，并以砍蔗刀盘的固有频率作为约束条件，对砍蔗刀盘的结构参数进行了优化，提高了结构的动态性能，为砍蔗刀盘是设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要的意义。

【关键词】小型甘蔗收割机；砍蔗刀盘；动态性能；结构优化

1 引言

甘蔗是多年生宿根植物，目前国内的甘蔗收割机械普遍存在甘蔗宿根破头率较高的问题，严重影响甘蔗来年的发芽率。当切割器旋转速度和收割机前进速度都处于理想状态时，宿根破头率的主要影响因素是切割器刀盘的振动。引起刀盘振动的因素既有路面和柴油机等外部激励作用，也和刀盘自身高速旋转有关，并且在切割甘蔗时受到冲击载荷也会引起振动。因此，我们不可能一个个消除引起振动的因素，可行的方法是提高刀盘自身的动态性能。

本文对已生产出样机的小型甘蔗收割机的砍蔗刀盘的结构参数，基于APDL进行了优化设计。区别与常见的以最大应变或应力做约束条件的优化，本文的优化以刀盘的前3阶固有频率作为约束条件，并取得了良好的效果，为砍蔗刀盘的设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要意义。

2 砍蔗刀盘参数化模型的建立

砍蔗刀盘上安装有间隔90°角的四个刀片，并和转轴组成切割器。采用自底向上的建模方式，建模时，简化掉四个刀片，并以位移约束代替转轴上联轴器，得到最简模型，如图1所示。砍蔗刀盘的的半径与切割系统半径及刀片的悬伸长度有关，为不考虑优化的参数，取为195 mm，厚度H1=8mm；加强盘半径为R，直接影响刀盘的动态性能，为待优化参数，取为95mm，厚度H2=15mm。

砍蔗刀盘的模型有ANSYS参数化设计语言（APDL）建立，为方便施加联轴器对转轴的位移约束，用ASBW命令将转轴的外圆柱面分为两个面。

3 砍蔗刀盘的模态分析

考虑到后续的参数优化，选取ANSYS优化模块支持的solid92号单元和Block Lanczos模态提取方法。由于影响系统动态性能的是前面几阶低频模态，所以提取前砍蔗刀盘的前5阶固有频率，如表1所示。

砍蔗刀盘的第1、2阶振型是绕X轴和Y轴的倾斜偏转变形，第3阶是四周翘起的弯曲变形，第4、5阶是很大的前后或左右的弯曲变形。这些都对甘蔗宿根切割质量造成很大影响。

此外，柴油机的工作频率为36.43HZ，刀盘的工作转速为900r/min，频率为15HZ。砍蔗刀盘的前5阶固有频率虽然避开了柴油接的工作频率，但和刀盘的工作频率都很接近，亟待提高。

4 砍蔗刀盘的结构优化

结构优化的基本思想是以最少的材料获得最好的结构性能。常见的结构优化以结构的静态性能为约束，有以最大节点位移的[7]，也有以综合应力或特征应力的[8]，很少有以反应系统动态性能的固有频率作为约束的。

5 结论

以系统的动态性能作为约束，对砍蔗刀盘进行了结构优化设计。优化后刀盘的前5阶固有频率均有提高，说明刀盘的动态性能得到了改善。此外，刀盘的前5节固有频率差值也得到了扩大，这有利于减少刀盘工作时越过共振区。

参考文献：

[1] 林茂，符新，冯活伦等.甘蔗切割器研究现状机展望[J].中国农机化，2011，（2）：16～19.

[2] 王汝贵.甘蔗收割机圆盘式切割器工作参数优化研究[D].南宁：广西大学硕士论文，2004.

[3] 向家伟，杨连发，李尚平.小型甘蔗收割机根部切割器結构设计[J].农业机械学报，2008，4（39）：56～59.

[4] 杨家军，刘锋，刘喜云.甘蔗收获机切割器的动态设计[J].机械科学与技术，2000，19（6）：923～924，926.

[5] 孙德鹏，蒲明辉，万佳等.模态综合法和ANSYS在甘蔗收割机切割系统上的应用[D].农机化研究，2008，（3）：171～174.

[6] 童卫华，姜节胜，廖巍.基于可靠性分析机频率约束的结构优化[J].机械科学与技术，1997，4（16）：581～584.

[7] 项忠珂，李尚平，唐满宾.基于有限元的加工中心工作台的仿生优化[J].组合机床与自动加工技术，2010，（11）：100～103.

[8] 胡迎春，陈树勋，李尚平.基于全局协调的甘蔗收割机多学科优化设计研究[J].中国机械工程，2007，18（11）：1355～1358.

作者简介：

项菲菲（1988-），女，汉族，江西丰城人，讲师，硕士，研究方向： 结构优化设计

项忠珂（1984-），男，汉族，江西上饶人，讲师，硕士，研究方向：计算机仿真

基金项目：

动态力学性能 篇7

自二战以来,各国对钨合金的力学行为的研究一直给予高度的重视,经过数十年的发展,已经在加载手段、测试技术、材料的动态响应、性能、破坏以及动态变形和断裂微观机制等研究领域做了大量的科研工作[2,3,4,5,6,7,8,9]。为了能够更好地研究颗粒增强金属基复合材料的力学行为,有效地指导该材料的加工变形工艺制定及模具设计,用计算机来模拟和预测复合材料力学性能是目前国际上的一个热点问题。在细观力学的基础上,构造出能够反映复合材料微观结构的有限元模型,考察单胞模型在载荷作用下的力学响应,进而研究复合材料的宏观力学性能。Bohm[10]等采用多夹杂单胞方法研究了随机取向短纤维增强金属基复合材料弹性和弹塑性行为。Eckschlager[11,12]等利用立方体单胞夹杂增强颗粒模型研究了增强颗粒的破碎失效行为及颗粒分布对颗粒增强金属基复合材料(PMMCs)的力学行为和起始破坏的影响。Song[13]采用均匀化理论结合不动点迭代法研究了钨合金颗粒形状、大小,体积分数对钨合金材料力学性能的影响。Leon和Mishnaevsky[14]针对不同微观结构的碳化硅增强铝基复合材料的变形和损伤演化进行了三维有限元模拟。Bao[15]等利用三维模型研究了PMMCs在高应变率下的变形行为,指出由于增强颗粒的影响,复合材料的应变率硬化要远远高于基体,并且与颗粒的百分含量有关。

1钨合金三维有限元单胞模型

假定颗粒增强复合材料的复合相是周期分布的,材料可以看做是一个具有周期变化的无限大线弹性固体。因而,这种周期结构可看作为单位体元在各个方向周期重复扩展构成。单胞有限元模型假设单胞中只有一个位于单胞对称中心位置的增强颗粒[16],根据周期性排列条件,单胞形状为六棱柱形或者是六面体形,如图1,2所示。增强颗粒的几何形状可以是球体、圆柱体、椭球体,颗粒的体积分数可以用颗粒占单胞的体积百分比表示。

图1中对半径为r的颗粒,六棱柱体元排列的颗粒体积分数为

undefined

其中R是六棱柱体元的边长,2R为高度。

六面体体元排列的颗粒体积分数为

undefined

其中2R=l是六面体体元的边长。

1.1三维单胞模型

代表性体积单元钨颗粒相的体积分数应该与实际合金材料的钨颗粒相的体积分数保持一致

undefined

其中Vf为钨颗粒相的体积分数,vf为单胞模型中钨颗粒相的体积,v为单胞模型的总体积。基于真实的钨颗粒分布情况,在计算中采取下列假设:

(1)钨合金为宏观均质材料;

(2)钨颗粒形状为球形或者椭球状,且大小均匀;

(3)模型中假设钨颗粒和基体的界面结合完好,无滑移和分层现象。

根据以上假定和体积分数的要求,在单胞模型的建立过程中钨颗粒分布采用图3 所示的排列方式。三维有限元模型如图4,5所示。由于模拟计算很关注单胞中应力、应变的分布,为了捕捉界面附近应力、应变的变化,要求较高的网格密度。

模型的尺寸为undefined分别为小球和大球的半径。假定椭球尺寸为a=b=r,α为长细比,α根据钨合金材料的工艺处理变形量近似地给出:

undefined

其中,D是钨合金材料的工艺处理变形量。

经过计算,在该模型中,钨颗粒所占的体积分数约为80%。考虑到在实际的钨合金材料的基体相中,钨颗粒也同样占有一定的体积分数,同时计算中也会有一定的误差,综合考虑建立的模型可以满足实际的要求。

在进行有限元模拟分析时,一般假设钨颗粒和基体的界面是理想的,在变形过程中钨颗粒是完好无损的,在进行有限元计算时,通过对单胞体元的表面施加一定的速率或者位移,来考察复合材料的力学性能。在三维有限元数值计算中,体元的边界条件必须使体元的变形满足连续性条件和周期性条件,对立方体和长方体而言,由于其对应各面是平行的,故边界条件比较简单,只要限制各面在变形过程中平行地移动就能满足连续性条件。

1.2材料模型与材料参数

在分析计算时,假定基体与钨颗粒之间的界面结合完好,不考虑热残余应力的影响。增强钨颗粒为线弹性材料,基体为弹塑性材料,应用Cowper-Symonds本构模型来描述材料的应变率效应:

undefined

式中:E为材料的弹性模量;σs为名义屈服应力;Ep为塑性硬化模量;εp为有效塑性应变;β为应变率因子;undefined为应变率;C,P为描述材料应变率效应的参数;Et为切线模量。增强相和基体相材料力学性能参数见表1。

2动态拉伸实验

冲击拉伸加卸载实验是在旋转盘式间接杆-杆型冲击拉伸实验装置上进行的。图6为实验装置示意图,SHTB实验装置由旋转盘式加载系统、撞块、输入杆和输出杆组成。加载装置是一个直径为1.4m,转动线速率可以达到100m/s的飞轮。

试件为哑铃形扁平状,试件尺寸如图7所示。为减小试件拉伸段圆弧部分的应力集中现象,在粘接前要把实验段的圆弧部分沿纵向研磨光滑。本实验是在室温(14℃)条件下进行的,针对91%细化钨合金材料,分别采用两种应变率200s-1和500 s-1进行动态拉伸实验研究,获得了钨合金材料在不同应变率条件下的应力应变曲线和动态力学参数。

3计算结果及分析

应用上述材料模型和单胞模型,分别在应变率为200s-1和500s-1下,对长细比为1的钨合金材料在单向拉伸载荷作用下的力学响应进行数值模拟。计算所得的应力应变曲线与实验所测应力应变曲线的对比如图8所示。

从图8可以看出,在动态加载条件下二者具有较好的一致性,尤其在弹性阶段吻合较好。当进入塑性阶段后,数值计算所得的弹性模量和强化模量略高于实验结果,原因可能为数值模拟是假定颗粒与基体的界面结合完好,没有考虑界面的结合力对模型承载能力的影响,而在实际情况中,实验材料不可避免地存在一些界面的破损、初始裂纹和孔洞,进而降低了材料本身的力学性能。另一方面,从图8 还可以观察到,钨合金材料具有一定的应变率敏感性,随着应变率的增加其屈服强度也有一定程度的提高。

图9分别给出在应变率为200,500s-1动态加载条件下单胞模型的应力应变云图。

从以上应力应变云图可以看出,应力主要集中在钨颗粒上,对于应变而言,基体相则大于钨颗粒,且在钨颗粒和基体的交界处应变值较大,因而在拉伸载荷的作用下,钨颗粒相和基体相之间的狭长区域将首先发生破坏。

4结论

(1)建立了具有典型微观结构钨合金三维有限元单胞模型,并对钨合金在动态拉伸载荷作用下的力学响应进行了分析。

(2)得到了钨合金的应力-应变曲线,发现钨合金具有一定的应变率敏感性,随着应变率的增加其屈服强度也在增加。

动态力学性能 篇8

随着科学技术的发展,农产品力学性能已经成为一个重要的研究领域。这是因为农产品机械收获与加工中的机械损伤对农产品品质影响很大,而农产品力学性能及其对所受载荷响应的知识可以更好地为其机械损伤的研究提供基础。

国内外对农产品力学性能的研究可分为静载力学性能研究和动态力学性能研究。研究工程材料力学性能时,根据试验材料的加载情况,把载荷分为静载荷、冲击载荷和变动载荷。其中,冲击载荷也称为高速加载载荷,它与静载荷的区别在于加载速度不同。工程材料力学中,一般把应变率小于等于10-1/s的加载载荷称为静载荷或准静载荷。变动载荷是指所加载荷的大小或方向随时间做周期性或无规则的变化。通常情况下,把静载荷下材料的力学性能称为材料的静载力学性能或材料的静态力学性能,把冲击载荷和变动载荷下材料的力学性能称为动载荷下材料的力学性能或材料的动态力学性能[1]。上述概念在农产品力学性能研究中被沿用。

同工程材料一样,绝大多数农产品在收获、储运、加工过程中承受的是变动载荷或冲击载荷。变动和冲击载荷也是农产品机械损伤的最常见原因。因此,动载荷下农产品的力学性能研究尤为重要。

1 农产品动态力学性能的研究状况

农产品动载荷下的力学性能研究起源于对水果的振动损伤研究。水果运输途中的振动对水果的品质影响很大。据资料记载,20世纪60年代起,国外就开始了对水果碰撞及振动损伤的研究,中馬豐和中村敏[2]等试验研究了鲜水果运输中的损伤及其在箱中的振动情况。Hallerle,Mohsenin,Nelson和Bitner[3]等用能量平衡原理对水果下落与衬垫的冲击效果进行了试验研究。他们认为,碰撞过程中,在“最小能量”范围内,水果不会受到损伤,因此可以在厚度、密度及泡沫结构等方面对衬垫进行分类研究。Horsfield[4]等则将水果的损伤归因于水果的剪切应力超过了其剪切强度,他们用Hertz理论对水果的接触应力进行了试验研究。20世纪70年代中后期,H.J.Cooding[5]、岩元睦夫、河野澄夫和早川昭[6]等开始应用Palmgren-Miner理论对水果运输的振动损伤进行了定量研究。N.N.Mohsenin,V.K.Jindal,A.N.Manor[7]通过自制设备对下落水果和衬垫的碰撞进行了试验研究。为了进行理论分析和对比试验,他们测定了水果和衬垫的动静载力学性能。P.K.Chattopadhyay,D.D.Hamann,J.R.Hammerle[8]研究了糙米的动态力学性能。他们用自制试验设备沿轴向给糙米加一动态力,使糙米的应力以正弦规律变化,试验研究了其应变的变化规律,并研究了应力的变动频率和糙米的湿度对应变变动规律的影响。试验中,把浓硫酸和糙米分开放置在一密闭容器中,以获得不同湿度的糙米。试验时,要把糙米加工成圆柱形的样品,办法是将糙米装入一定厚度钢板的孔中,用金刚砂纸将两端突出部分打掉,其试验样品长度为0.32±0.01mm。在这一研究中,做了3点假设:一是糙米是线粘弹性的;二是试验样品较短,忽略应力波的作用;三是忽略糙米两端部分对试验结果的影响。

1980-1988年前后,国内的单明彻和徐朗[9]对苹果在冲击载荷作用下的机械损伤进行了试验研究,得到了苹果硬度对损伤影响规律。同时,上述二人在以磁带机作信号源的电磁振动试验台上,对随机振动下苹果机械损伤规律的进行了试验研究,提出了苹果包装箱系统的简化模型。这一时期,在国外,澳大利亚学者J.E.Holt,D.Schoor,C.Lucas[10]在长期研究的基础上,提出了著名的苹果损伤的能量原理,认为无论是在冲击载荷还是在变动载荷下,苹果的损伤量决定于其所吸收的能量。定量给出了两种载荷下苹果吸收能量和其损伤体积的关系,发现了平行侧壁对苹果的损伤无显著影响,苹果损伤与其所吸收的能量成正比,并在考虑许多因素(如苹果的抗损伤力、苹果的摆放层数、苹果箱的反弹和冲击等)情况下,给出了一种预测箱中苹果在冲击载荷下的总损伤及损伤的分布,试验结果对预测得到了很好的验证。D.Schoorl,J.E.Holt.[11]对苹果在箱中的3种摆放方式进行了试验研究,结果表明:苹果箱坠落后的总损伤与苹果在箱内的摆放方式无关,即复杂摆放和一个压一个地简单摆放,苹果的总损伤是一样的。苹果的损伤和单个苹果在箱内的支撑有关,经研究认为,整箱苹果总的损伤可以通过单个苹果的抵抗损伤能力和冲击能量与苹果损伤抵抗系数的乘积来近似计算。

1988-1998年前后,国内的王俊和许乃章[12]等在带有自触发的高性能数据传输卡力传感器和加速度传感器的自制试验装置上,研究了桃子的冲击力学特性,得到了桃子恢复系数和能量吸收率等与其硬度之间关系的数学模型。孙骊和仇农学[13]等在自制的试验台上对苹果储运时的机械损伤规律进行了模拟试验研究,得到了储运过程中苹果机械损伤程度与主要影响因素之间关系的数学模型。李小昱和王为[14]等在带有加速度传感器和计算机数据采集系统的自制试验装置上,研究了苹果碰撞中加速度与时间关系的数学模型,分析了不同参数对苹果碰撞特性的影响,指出了缓冲包装材料的重要性。这一时期,在国外的B.R.Tennes,H.R.Zapp,D.E.Marshall[15]等设计出一个测量苹果冲击参数的试验仪器,其主要工作部件是三位的加速度传感器,为水果动态力学性能的研究,开发了一个非常有用的工具,使其研究方法提高到一个新的台阶。他们用该仪器测量和分析了苹果碰撞时加速度的变化情况,研究了加速度变化对苹果损伤的影响。S.S.Sober,H.R.Zapp,G.K.Brown[16]试验研究了苹果遭受冲击时加速度的最大值和速度的变化,在苹果受冲击加速度最大值在20~130g(1g=9.81m/s2)范围内,速度在0.1~3.0m/s变化时,对其所受损伤进行了测量,研究了苹果品种对损伤的影响,并对苹果的损伤直径进行了回归分析。X.Zhang,G.H.Brusewitz[17]试验研究了3种桃子所受冲击力的数学模型,讨论了桃子坚实度等参数对数学模型的影响,试验研究了数学模型中参数的变化及实验条件的变化对各参数的影响。D.Rosenfild,I.Shmulevich,G.Rosenhouse[18]对水果进行了仿真研究,建立了水果的弹性和粘弹性数字仿真模型,这种模型在研究中可以替代真品。同时,研究了水果坚实度与其共振频率的关系,提供了一种水果的无损伤试验方法,也提供了一种根据共振频率来进行水果按坚实度分类的无损的方法。H.Chen,J.De.Baerdemaeker[19]对苹果和菠萝的动力学特性进行了有限元法分析研究,通过有限元模型得到了水果的各种振动模态,并研究了振动模态与弹性模量的关系。通过有限元分析,他们还研究了水果的几何特性对其动态力学性能的影响。D.C.Slaughter,R.T,Hinsch,J.F.Thompson[20]试验研究了一种西洋梨子的振动损伤问题,主要的试验设备为液压伺服振动试验台,试验在恒温下进行,通过加速度传感器测量了梨箱在振动试验中的加速度变化。试验表明,振动频率在40Hz以下时(梨在高速公路运输时经常处于此振动频率之下)梨容易受损伤,梨最易受严重损伤的振动频率是3.5Hz和18.5Hz。R.T.Hinsch,D.C.Slaughter,W.L.Craig[21]等通过在水果和蔬菜箱内安装压电式加速度测量传感器,得到了水果和蔬菜运输途中的能量谱密度。通过对能量谱密度最大点的分析,研究出了减低水果和蔬菜振动能量,从而降低其运输途中的振动现象对其质量造成损害的措施。V.A.McGlone,R.B.Jordan,P.N.Schaare[22,23]通过带有力传感器自制试验仪器试验研究了水果的碰撞时间,以及碰撞时间与水果质量及下落高度的关系,也研究了在不同下落高度下水果碰撞时间和坚实度的关系。结果表明,在下落高度为50mm以下时,即使反复跌落,水果也无损伤。同时,上述学者也对水果的碰撞过程进行了研究,通过研究得到了水果质量和碰撞参数之间的关系,从而得到了一种估算水果的质量新办法,并进行了回归分析及试验验证。

1998年至今,随着计算机技术和快速测量技术的快速发展,农产品的动态力学性能试验的试验设备和试验条件也得到了很大的改善,动载荷下固态农产品的力学性能研究得到了较大的发展,研究方法更为完善,研究内容更为复杂。在国内,焦群英、王书茂和籍俊杰[24]在农产品力学性能的应用研究方面,提出了利用西瓜的振动频率响应来判断西瓜成熟的无损检测方法,在自制的带有信号分析仪的西瓜固有频率测试装置上测得了西瓜的固有频率,并得到了物理参数(质量和外形尺寸等)、固有频率与含糖量之间的关系,并在此基础上提出了新的西瓜成熟度指标。王剑平、王俊和陈善锋[25]等在自制试验台上,研究了梨在冲击载荷和变动载荷下的力学性能,得到了预加载荷、激振功率、成熟度等和梨弹性模量之间的关系,并通过自治试验装置测得了梨的碰撞时间及碰撞规律,建立了梨碰撞损伤的预测模型。康维民和肖念新[26]等在VTVH-5振动试验装置上研究了梨在稳定振动条件下的振动损伤,得到了振动S-N曲线,分析了振动频率和加速度对梨损伤的影响。同时,王俊和滕斌[27]在自制试验台上对桃子的冲击动力学特性进行了研究,讨论了桃子碰撞响应的时域和频域曲线,探讨了上述响应频谱与果实物理参数的相关性,得到了果实坚实度与硬度之间的关系,从而可以用果实的硬度来预测其坚实度。这一时期在国外,M.Yen和Y.Wan[28]试验研究了通过摆锤冲击来确定水果内部组织的办法,其试验设备主要是一个装有力传感器的摆锤及电脑等。试验中,摆锤冲击水果的同时,冲击力等参数的信号传给电脑,不同品质的水果,其信号的振幅和频谱不同。通过统计分析各信号的冲击参数,来确定水果的组织,从而确定其成熟度。试验表明,这种办法的精确程度较高。

2 发展趋势分析

动态力学性能 篇9

1 实验方法

实验采用挤压成型AZ61镁合金试样进行实验,其成分为(质量分数):AL6.28%,Zn0.9%,Mn0.7%。试样取自ϕ15mm的棒材,加工成直径5mm,长径比为1∶1的圆柱状压缩试验,试样截取方式如图1所示。

试验后的试样利用SEM进行断口形貌分析,在自动磨抛机上制备金相试样并在金相显微镜和扫描电镜下进行了组织观察。腐蚀液为3%的硝酸酒精,试样侵蚀后用无水酒精清洗并用滤纸吸干。

2 实验结果与分析

2.1 动态压缩力学性能

动态压缩实验就是利用杆打击,在入射杆中输入一个上升沿陡峭的带高频振荡的梯形方波。由于压缩过程中,材料所处的应变速率范围跨度很大,实验结果中给出的应变速率实际上是平均值。试样在3种应变速率下的σ -ε曲线如图2所示。

1,2,3号试样应变速率分别为9×102,2.3×103和3.2×103。从图中可以看出,3种应变速率下的σ-ε曲线均显示出明显的屈服平台,且平台应力,即屈服强度,随应变速率的增加而提高,表现出应变速率效应。由图可见,1号试样的屈服强度明显低于其他两条曲线,这表明合金的屈服强度对高速应变的敏感性,102~103是该合金的应变速率敏感范围。在屈服阶段之后,随着应变的增加应力出现较大速率的增大,表现了较强的加工硬化效应。

2.2 断口形貌

试样最终的破坏结果都是沿着45°方向剪切破坏,且断口比较光滑。图3所示为SHPB试验中试样的破坏方向以及试样受力示意图。

图3b中1方向表示受压力的方向,2方向表示剪切破坏的方向,区域A内是受到剪应力区域,区域B内是受到拉应力区域。AZ61镁合金剪切强度为140MPa[5],当1方向受到压缩载荷时,由于其剪切强度和剪切破坏应变低,这样,就在剪应力最大的45°方向首先发生破坏。

图4为试样的扫描断口形貌,从图4a和图4b可以看出,断口呈现大量台阶相貌,表明断裂过程中裂纹沿一定的结晶学平面进行,台阶面上局部出现较浅的韧窝状形貌(如图4b),表明局部有一定的塑性变形发

生,属于混合型断口。试样在正应力作用下,首先沿一定的解理面undefined分离形成解理裂纹,在一定强度的应力场作用下,解理裂纹依靠弹性应变能的释放,克服解理面两边原子间的结合力而扩展,并最终导致断裂,因而看到断口表面比较光滑。当应变速率达到2.3×103时(弹速16.7m/s),试样断裂表面局部出现重熔现象,在更高应变速率下重熔区域扩大,如图4c和图4d所示 。实验发现,局部的重熔一般发生在塑性变形的区域,使试样表面金属形成颗粒状。这种现象是由于SHPB试验过程中试样受压缩速度很快,基本上是绝热过程,试样在变形过程中产生很高的温度,局部区域温度超过熔点而产生。

2.3 金相分析

图5为冲击后的试样纵剖面不同部位的金相组织相片,组织观察位置如图5d所示,图5a,b,c分别对应图5d中(a),(b),(c)三个观察位置。根据能谱分析显示(见图5e),图5a,b中黑色颗粒为Mn的偏聚物。随着取景部位的不同,即不同的变形部位,试样组织也有所不同。图5a处由于处于试样边缘,当试样受到冲击时,此处的应变能能够得到相对有效的释放,因此晶粒变形不大,形状基本为等轴状,经测量,晶粒尺寸和变形前没有差别(20~30μm)。而图5b处部分晶粒不再

是等轴状,而且有不同程度的拉长, 这是由于5b位置处于试样中间区域,在受到冲击时,应变能无法有效释放造成的。图5c位置在造成试样破坏的主裂纹边缘,除了部分晶粒被拉长外,还可以看到主裂纹边缘的部分晶粒已经发生了破碎。

图6中为试样冲击前后的晶粒,可以看出变形过程中产生了大量的孪晶,这种孪晶是通过塑性变形而形成的,称为变形孪晶或者机械孪晶。镁合金只有两个基本的基面独立滑移系,虽然还存在棱柱面和锥面滑移系,但是资料表明[6],当温度低于498K时,镁合金非基面滑移系的临界剪切应力比基面滑移系要大两个数量级左右,所以在这个温度范围内,多晶镁合金的塑性变形以滑移和孪生为主,滑移模式主要为undefined基面滑移。作为一种塑性变形方式,孪生所需的临界应力一般比滑移大,因此滑移系较多的体心立方或者面心立方金属,只有当变形温度很低、变形速度极快或者因其他原因使滑移受阻时,孪生才能成为塑性变形的主要机制。而对于镁合金这种具有密排六方结构的金属而言,由于其可启动的滑移系很少,在各种温度下孪生均可以发挥重要作用,并对金属的塑性流动性为具有很大影响。由图6可知,AZ61镁合金中,孪生是一种主要的晶内塑性变形机制,该合金的塑性变形为滑移和孪晶的共同作用结果。

3 结论

(1)AZ61合金的动态压缩应力-应变曲线显示出明显的屈服平台,屈服强度随应变速率增大而升高,且有较强的加工硬化效应,102~103为合金应变速率敏感范围。

(2)合金试样沿与冲击方向45°的方向剪切断裂,断口呈现大量解理台阶和少量韧窝共存的混合形貌。

(3)冲击后的试样其显微组织变化程度随径向位置的不同而有区别。

(4)冲击后试样晶粒内部出现大量变形孪晶,孪生为合金的一种主要晶内塑性变形方式。

参考文献

[1]VON BUCH F,LIETZAU J,MORDIKE B L.Development ofMg2Sc2Mn alloys[J].Mater Sci Eng,1999,A263:1-7.

[2]SANSCHAGRIN A,TREMBLAY R,ANGERS R.Mechanicalproperties and microstructure of new magnesium lithium base al-loy[J].Mater Sci Eng,1996,A 220:69-77.

[3]SAKKINEN D J.Physicalmetallurgy of magnesium die cast al-loys,attributes of magnesium for automobile design[A].Pro-ceedings of SAE[C].Detroit:SAE,1994.71-82.

[4]HAFERKAMP H,HOLZKAMP U,JUCHMANN P.Develop-ment and processing of density reduced magnesium alloys[A].IBEC Proceedings[C].Detroit:SAE,1998.129-135.

[5]陈振华.镁合金[M].北京:化学工艺出版社,2004.

动态力学性能 篇10

1 橡胶沥青混凝土的主要性能

1.1 高温性能

利用软化点和动态剪切流变实验测定的比值G/sinδ, 对橡胶沥青的高温性能进行评估后发现, 基质沥青粘结剂软化点要明显低于橡胶沥青, 并且普通沥青和高分子聚合物改性沥青的指标也明显低于橡胶沥青。这说明, 在沥青中掺入适量橡胶, 能够有效提高沥青粘结剂的高温性能。G/sinδ利用静态荷载和反复荷载下的车辙实验以及蠕变实验, 对橡胶沥青混凝土的高温性能进行评估后发现, 普通沥青混凝土的静态和动态永久变形均大于橡胶沥青混凝土, 并且橡胶沥青混凝土还具备较强的长期抗车辙性能。

1.2 低温性能

利用低温下的蠕变劲度模量以及弯曲梁流变仪试验, 对橡胶沥青粘结剂的低温性能进行评估后发现, 高温状态下橡胶沥青比普通沥青硬, 而低温状态下橡胶沥青却比普通沥青软, 这说明橡胶沥青对温度变化的敏感性较低。同时, 在低温劲度指标上, 橡胶沥青粘结剂小于基质沥青, 并通过采取一些措施可以达到调节橡胶沥青高温低温性能的目的。利用低温直接拉伸试验以及间接拉伸试验, 对橡胶沥青混凝土的低温性能进行评估后发现, 在低温状态下, 橡胶沥青混凝土以其自身具备的良好粘弹性变形, 可有效吸收收缩应力, 相比较普通沥青混凝土而言, 橡胶沥青混凝土拥有良好的低温抗开裂性能。

1.3 抗疲劳性能

利用常温下粘结剂的弹性恢复能力以及动态剪切流变仪试验获取的G/sinδ指标, 对橡胶沥青粘结剂的抗疲劳性能进行评估后发现, 基质沥青粘结剂的G/sinδ指标明显高于橡胶沥青粘结剂, 这说明橡胶沥青不易产生疲劳裂缝。同时, 根据回弹恢复系数的分析结果表明, 普通沥青没有回弹性, 而橡胶沥青具备较好的弹性。通过在实际铺筑路面上进行轮胎的模拟加载实验, 对橡胶沥青混凝土的抗疲劳性能进行评估后表明, 相比较普通密级配沥青混凝土而言, 橡胶沥青混凝土具备更好的抗疲劳性能。形成这一性能优势的主要原因在于, 由于橡胶沥青粘结剂本身具备良好的抗疲劳性能, 增加了沥青膜厚度, 从而使得橡胶沥青混凝土具备优异的抗疲劳性能。

2 冲击荷载作用下橡胶沥青混凝土的动态力学性能研究

2.1 试验装置

本文采用的试验装置为分离式Hopkison压杆装置, 简称SHPB, 该装置是目前研究工程材料动力性能的基本试验装置。由于SHPB技术具有结构简单、便于操作, 能够准确测试出材料的动力性能等优点, 从而被广泛应用于工程材料的动态力学性能研究中, 金属、岩石以及混凝土等材料均可采用SHPB装置进行动力性能试验。

2.2 冲击试验环境

设定试验温度。由于橡胶沥青混凝土材料的工作环境涉及不同的季节, 为此, 决定选取25摄氏度作为常规温度环境, 同时选取零下20摄氏度作为冬季的代表温度, 选取60摄氏度作为夏季最高温度。在每次冲击荷载试验之前, 都先将混凝土试件养护到上述几个温度, 然后再进行冲击压缩试验。

2.3 橡胶沥青混凝土的动态力学性能分析

(1) 混凝土试件的破损状态。本次试验分别对沥青混凝土试件进行了三个温度和三个应变率的冲击荷载试验, 通过试验结果可知, 温度对沥青混凝土的破坏模式有一定程度的影响, 当温度为零下20摄氏度时, 在应变率逐渐增大的前提下, 沥青混凝土试件出现不同程度的破裂;当温度为60摄氏度时, 且随着应变率的增大, 试件出现程度不一的塑性变形;当温度为25摄氏度时, 试件的实际情况介于两者之间。通过对比后发现, 应变率对沥青混凝土的破坏也有着一定影响, 从实际破坏情况上看, 与普通沥青混凝土相比, 橡胶沥青混凝土的柔韧性显著提高, 脆性块裂的情况大幅度减少, 其中以橡胶掺入量为20%的沥青混凝土块裂最少。

(2) 强度与韧性指标分析。评定某种工程材料动态力学性能优劣的主要指标是动力强度与冲击韧性。本次试验借助MTB计算软件对曲线进行拟合, 进而获得曲线中的最大应力值, 并利用曲线函数微积分得出应力面积, 即材料的冲击韧性值, 通过试验可知, 温度对沥青混凝土的动力强度有着非常显著的影响, 这也充分证明了沥青混凝土在寒冷的冬季中容易碎裂, 夏季高温会融化的现象, 而在常温状态下其最不容易出现破损。当加入橡胶之后, 沥青混凝土的动力强度会大幅度提高, 并且橡胶的实际掺入量对动力强度的影响不大;沥青混凝土的冲击韧性主要与应变率和温度有关, 加入橡胶之后, 会进一步提高沥青混凝土的冲击韧性, 其程度主要与温度和应变率有关, 橡胶掺入量的多少对冲击韧性的影响较小。

3 结果与讨论

3.1 增强增韧机理。

通过对比橡胶沥青混凝土与基质沥青混凝土的冲击韧性和动力强度后发现, 橡胶沥青混凝土具备良好的抗冲击性能。这说明在沥青中适当掺入橡胶, 能够通过改善沥青混凝土的内部结构, 以此有效增加沥青混凝土的抗冲击性能。在沥青混凝土内部结构中, 重点改善了胶浆体系的空间网状整体性和内聚力, 具体表现为:基质沥青在与掺入的橡胶屑产生溶胀反应之后, 增加了沥青的粘稠度和硬度。而将这种橡胶沥青用于制备沥青混凝土后, 能够明显增强沥青混凝土的内部聚合力, 这种内部聚合力能够抵抗冲击荷载, 进而发挥较强的阻裂作用;将高含量的橡胶沥青粘结剂用于沥青混凝土, 能够加大沥青膜的厚度, 增强沥青混凝土胶浆网膜结构的整体性构架的稳定性, 即使在遭遇强烈冲击荷载作用时, 也能够使其结构整体性不发生变化。

3.2 橡胶的最佳掺入量。

试验表明, 当掺入到沥青混凝土当中的橡胶较少时, 改性沥青的粘度和粘结力都相对较差, 材料抗冲击荷载的能力也偏低;当掺入的橡胶比较多时, 改性沥青的粘度和粘结力都会有所提高, 但是由于橡胶颗粒过多, 会导致粘结剂松散, 这样可会使材料抗冲击荷载的能力偏低。为了提高材料的抗冲击荷载能力, 必须找到一个最佳的橡胶掺入量, 通过本文的研究可知, 这个量约为沥青质量的20%。

4 结束语

综上所述, 本文采用冲击荷载试验对橡胶沥青混凝土的动态力学性能进行初步研究, 试验结果显示, 在沥青混凝土中掺入适量的橡胶颗粒, 不但能够使混凝土本身的柔韧性获得极大程度地改善, 而且沥青混凝土的强度也大幅度提升, 这充分说明橡胶沥青混凝土要比普通沥青混凝土更具工程应用价值。

摘要：本文以冲击荷载作用为切入点, 对橡胶沥青混凝土在动态工作环境下的性能进行研究, 为完善沥青混凝土材料的设计与使用提供重要参考依据。

关键词：冲击荷载,橡胶沥青,沥青混凝土,动态力学性能

参考文献

[1]张金喜.废橡胶作为弹性沥青混凝土路面材料的实验研究[J].建筑材料学报.2010 (4) .