金属橡胶材料剪切力学性能的研究

张笑尘 　 张 萍 　 赵亚哥白　* 　 赵 淼 　 赵佳红

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040)



金属橡胶材料剪切力学性能的研究

张笑尘 张 萍 赵亚哥白* 赵 淼 赵佳红

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

摘要：针对现阶段金属橡胶材料剪切力学性能研究尚未普及的状况,开展了金属橡胶试件承受剪切荷载的试验，分析了加载方向、循环加载次数、加载频率、应力幅值、成型密度等因素对剪切力学性能的影响规律，实验数据表明：金属橡胶材料的剪切性能不受加载方向、加载次数和加载频率的影响，随着应力幅值、成型密度的增加而增大。

关键词：金属橡胶，剪切力学性能，加载实验，应力幅值

0引言

目前超高层建筑日益兴起，使得钢筋混凝土框架—剪力墙结构应用广泛，作为主要的受力构件，剪力墙的整体刚度大，在地震作用下易发生脆性剪切破坏。因此，剪力墙抗震性能的研究对保证结构的安全性和减少后期加固及修复的损失显得尤为重要。针对这种现状，急需一种新的耗能装置进行替换。

目前由金属橡胶制成的阻尼器，具有阻尼大、受温度影响小、耐腐蚀等特点，是一种新型的阻尼减震材料。金属橡胶材料的变形自恢复耗能减震性能，可以减小结构塑性损伤充分耗散地震能量，相关减震装置在地震后变形可自恢复，无需替换。其内部结构是金属丝相互交错勾联形成的空间网状结构，同时兼备金属特点和橡胶的弹性，有良好的形状记忆性能，应用领域除抗震与抗冲击外还涉及航空航天、军事、降噪等多个方面。

现今关于金属橡胶的研究主要涉及到金属橡胶材料在承受压缩荷载时的性能变化规律，而关于剪切荷载作用下金属橡胶性能变化的实验研究尚未广泛开展。因此，文章了解到目前研究中的这一现状，从而针对不同的金属橡胶试件，研究在改变密度、加载频率、加载幅值和循环加载次数等变量时，金属橡胶材料在剪切荷载作用下的剪切性能变化规律。通过实验得到等效阻尼比和剪切应力—应变关系曲线等数据，为未来关于金属橡胶材料剪切性能的研究提供了进一步的可行性方向。

1试验材料

金属橡胶结构性能与制成材料密度、形状因子、热处理工艺等参数息息相关，因此试件选用Fe-Cr-Ni 系合金即奥氏体不锈钢制成，所得试件具有塑性好、导热性差等特点。试件尺寸为边长为25 mm的立方体。通过增加剪切方向的金属丝数量来提高抗剪切性能，制成的试件按质量和成型密度的不同分别编号OMR-1，OMR-2，OMR-3，所得试件参数见表1。

2试验方法

金属橡胶的剪切性能实验所采用的试验装置是哈尔滨工程大学力学实验中心的INSTRON FastTrackTM8801电液伺服动力疲劳试验机。静力剪切试验和动力剪切试验中沿图1中x和y方向施加剪切循环荷载，该方向与研究压缩性能实验时施加力的方向相垂直。在试验过程中根据传感器采集基本数据并将其换算成应力和应变。试验装置内部和模拟的试件剪切方向如图2所示，即通过夹具两侧相互搓动施加剪切荷载。

为研究各变量因素对金属橡胶材料剪切性能的影响，在保证试件变形可恢复性的基础上，改变各变量的取值，来分析和总结剪切性能变化规律。各变量具体变化为：

1)加载方向：沿图1中相互正交的ox，oy方向分别进行加卸载实验；

2)加载频率：0.1 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz，3.0 Hz；

3)应力幅值：5%，10%，15%，20%；

4)各试件构件成型密度不同。

3试验结果与分析

3.1加载方向和加卸载循环次数的影响

为了确定金属橡胶中非受压成型面和加载次数是否会影响剪切性能，沿图1中相互正交的ox，oy方向分别进行多次的加卸载实验，并比较沿每个方向加载时，加载次数的增多是否会使迟滞曲线发生变化。在确定加载频率为1.0 Hz和应变幅值为10%的前提下，绘制ox和oy两个方向的剪应力—剪应变迟滞曲线，如图3所示。由图可知，两个方向的曲线基本一致，可以得出金属橡胶中两个非受压成型面的剪切性能基本相同。同时，通过发现ox方向或oy方向的迟滞曲线加载前后趋于一致，可以总结出加卸载循环次数对金属橡胶试件的滞变性能基本无影响。另外，通过曲线可以分析出剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。

3.2加载频率的影响

为了确定不同加载频率时金属橡胶材料的剪切性能是否有差异，对试件OMR-1按不同频率进行加载，得到试件OMR-1在应变幅值为20%时在0.1 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz，3.0 Hz的加载频率下的剪应力—剪应变曲线，如图4所示。根据该曲线，可以得出在应变幅值、成型密度确定的情况下，不同加载频率下的曲线基本重合。这意味着金属橡胶的剪切性能与加载频率的大小无关。

3.3应力幅值的影响

为了研究不同加载幅值对金属橡胶材料剪切性能的影响，采用的具体方法为对三个试件在其他条件相同时分别采用5%，10%，15%，20%的应力幅值进行剪切加载，得出试验数据并绘制出试件在不同幅值下的迟滞曲线。如图5所示为试件OMR-3在不同幅值下的迟滞曲线。由图5可知在不同幅值下，曲线所包络的面积大小有所不同。具体表现为应力幅值越大，所包络的面

积越大，即金属橡胶耗能能力增强。直接原因是因为过大的加载幅值使得金属丝之间发生明显的滑移现象，克服了它们之间的摩擦力，最终表现为耗能增加。

3.4成型密度的影响

为了比较不同成型密度的阻尼性能，在其他变量因素确定的条件下对不同试件进行剪切加载，此时影响变量只有成型密度，并绘制不同试件的剪应力—剪应变迟滞曲线。由图6可知，随着成型密度的增加，应力—应变曲线的切线弹性模量变大，即剪切刚度变大。造成该结果的直接原因是成型密度的增加使金属丝越密集，在相同的受力情况下金属丝之间的摩擦力势必增多，剪切刚度随之增加。因此，可以总结出随着成型密度的增加，金属橡胶材料沿剪切方向的减震耗能能力逐渐增强。

4结语

文章通过利用控制变量法对金属橡胶材料剪切力学性能进行试验研究，并分析试验结果可以总结出以下结论：当金属橡胶试件承受剪切荷载变形时，循环加载次数、加载方向和加载频率并不影响试件的剪切性能，同时，试件的耗能减震效果和阻尼性能与成型密度和应力幅值成正比。另外，剪应力—剪应变曲线没有明显的应变硬化特征。因此，金属橡胶材料适于应用在承受剪切荷载的结构中，来达到耗能减震的作用。

参考文献：

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[3]董秀萍，刘国权，杨建春，等.金属橡胶用冷拉拔奥氏体不锈钢丝的微观组织.航天材料学报,2007,12(6):35-39.

[4]邹广平，程贺章，唱忠良，等.丝网编织金属橡胶的静态力学性能研究.哈尔滨工程大学学报,2015,36(3):332-336.

[5]辛士勇，朱石坚，曾懿.金属橡胶隔振器隔振性能的试验研究.中国舰船研究，2008,3(6):13-16,21.

Study on the shear mechanical properties of metal rubber

Zhang XiaochenZhang PingZhao Yagebai*Zhao MiaoZhao Jiahong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Key words:metal rubber, shear mechanical properties, loading experiments, stress amplitude

Abstract:According to the present situation that the research on the shear mechanical properties of metal rubber is not yet popular, the experiment for the shear load-bearing capacity of metal rubber was carried out. It analyzes and summarizes how the several factors including loading direction, circulation loading times, loading frequency, stress amplitude and forming density influence shear mechanical properties. According to the experimental data, the conclusion is metal rubber’s shear mechanical properties is unrelated to loading direction, circulation loading times and loading frequency and increase with the increase of tress amplitude and forming density.

文章编号：1009-6825(2016)14-0106-02

收稿日期：2016-03-04

作者简介：张笑尘(1995- )，男，在读本科生；张萍(1995- )，女，在读本科生；赵淼(1994- )，男，在读本科生；

通讯作者：赵亚哥白(1979- )，男，博士，讲师

中图分类号：TU502.6

文献标识码：A

赵佳红(1994- )，女，在读本科生