微孔聚氨酯弹性材料力学性能研究及应用

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1、分类号密级微孔聚氨酯弹性材料力学性能研究及应用研究生姓名：白晓鹏指导教师姓名、职称：丁智平教授唐先贺教授级高级工程师学科专业：机械工程研究方向：机械结构强度理论及应用湖南工业大学二零一五年六月十四日分类号.密级.微孔聚氨酯弹性材料力学性能研究及应用Theresearchandapplicationforthemechanicalpropertiesofmicrocellularpolyurethaneelasticmaterial研究生姓名:白晓鹏指导老师姓名、职称:丁智平教授唐先贺教授级高级工程师学科专业：机械工程研究方向：现代机械强度理论及应用论文答辩日期答

2、辩委员会主湖南工业大学二o—五年六月十四曰湖南工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名冶日期mir年6月k日湖南工业大学论文版权使用授权书本人了解湖南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以釆用复印、缩印或其

3、他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：哈喊^导师签名：J々^0期：少G年i月(fu摘要随着高速列车的迅猛发展，特别是高铁、地铁以及城际交通的发展，有砟轨道面临的临界速度，桥上稳定性，道砟飞溅和平顺性等问题难以解决，而无砟轨道因其优良的综合性能开始广泛地应用于高速铁路、地铁以及城际轨道交通建设中。在无砟轨道中，与之匹配的扣件系统不仅要起到固定轨道的作用，还须具备一定的减振/隔振功能，而扣件系统中的弹性垫板提供了减振/隔振所需要的弹性和阻尼。由于微孔聚氨酯弹性垫板具有更好的机械性能和加工性能，被广泛用作无砟轨道WJ-8等扣件的

4、弹性垫板，替代原有的橡胶垫板作为无砟轨道的主要减振部件，起到缓冲列车载荷的冲击的作用。然而在工程应用中，国内对微孔聚氨酯粘弹性材料力学特性的相关研究还不多见，由于其动力学粘弹性能方面的研究对材料的工程应用中尤为重要，因此有必要对其力学性能进行全面的描述。本课题以微孔聚氨酯弹性垫板为研究对象，通过准静态实验和DMTA（DynamicMechanicalThermalAnalyse）动态力学热分析实验，研究探讨微孔聚氨酯弹性材料的超弹性能及粘弹性能。本文工作的主要内容如下：首先，概述了微孔聚氨酯材料在轨道交通、汽车工业、工程机械等工程领域中的应用背景以及国内外对微孔

5、聚氨酯弹性材料静动态力学特性的研究现状。其次，引用超弹性材料的本构模型表征微孔聚氨酯弹性材料的非线性静态力学性能。为研究现有超弹材料本构模型对微孔聚氨酯弹性材料适用性，进行了微孔聚氨酯弹性材料的拉伸、压缩和纯剪切力学实验，获得了不同应变条件下的应力应变实验数据，并根据等效原理将压缩实验数据转换为等双轴实验数据。利用获得的微孔聚氨酯弹性材料实验数据对现有经典超弹材料本构模型进行拟合，得到了相应的本构模型参数，并通过误差分析对超弹材料本构模型的适用性进行了分析评估。第三，对微孔聚氨酯弹性材料进行动态力学性能实验研究。本文应用DMTA实验方法研究微孔聚氨酯弹性材料的储

6、能模量和损耗因子与温度、频率以及振幅之间的关系，探讨不同的影响因素对于微孔聚氨酯弹性材料动态力学性能的影响规律。通过对现有粘弹性本构模型的讨论，采用不同阶数的广义Maxwell本构模型对材料的粘弹性实I验数据进行拟合，获得相应的本构模型参数，并通过误差分析确定较为精确的模型阶数。然后，利用超弹性和粘弹性力学实验数据拟合确定的相应本构模型参数值，对WJ-8扣件用微孔聚氨酯弹性垫板进行有限元仿真，并对其进行了动、静态产品台架实验。通过实验结果与仿真结果对比以及误差分析表明，超弹本构模型的仿真精度从低到高依次为Yeoh模型、M-R模型和Ogden三阶模型，四阶广义Ma

7、xwell粘弹本构模型对材料的存贮刚度和损耗因子的仿真误差值分别为5.2%和9.1%，精度较高。最后通过对本文所做的工作进行总结，并对后续应做工作进行了展望。关键词：聚氨酯；超弹性；粘弹性；本构模型；仿真IIABSTRACTWiththedevelopmentofthehigh-speedtrains，especiallythesubwayandurbanrailtransithasbeenrapiddevelopment，ballasttrackhasmanydifficultproblemstosolvesuchasthecriticalspeed,stab

8、ilityandrail