橡胶疲劳研究综述

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1、第1O期王吴等．橡胶疲劳研究综述橡胶疲劳研究综述王昊，危银涛(清华大学汽车工程系，北京100084)摘要：橡胶疲劳寿命理论的研究对于提高橡胶产品耐久性的设计和制造具有重要意义。从橡胶的疲劳寿命研究方法、橡胶疲劳影响因素、橡胶疲劳试验以及疲劳理论的实际应用几方面介绍了橡胶材料和橡胶制品疲劳研究的情况，对于橡胶产品的疲劳耐久性分析和设计、提高橡胶产品的使用寿命具有一定的指导意义。关键词：橡胶疲劳；裂纹萌生；裂纹扩展；耐久性中图分类号：TQ330．1文献标志码：B文章编号：10068171(2015)10—0579—07橡胶

2、减震器、轮胎等橡胶制品通常在周期性裂纹的结构，寿命的计算方法多为裂纹萌生法。载荷作用下工作，在实际使用过程中，橡胶疲劳所1．1橡胶材料疲劳裂纹萌生法带来的安全问题往往十分严重，一旦发生疲劳失疲劳裂纹萌生法假设橡胶材料的疲劳寿命与效就有可能造成重大的经济损失。在橡胶产品开材料的某种力学参数存在一一对应的函数关系。发初期对橡胶材料、结构的耐久性能进行评估，采这种力学参数通常被称为疲劳预测因子或疲劳损用实验和仿真相结合的手段预报产品的使用寿伤参量等。疲劳损伤参量的合理选择是采用裂纹命，并以此指导材料选择、结构设计以及生产工艺

3、萌生法进行橡胶材料疲劳寿命预测的关键问题。的改进，可提高产品的设计使用寿命，对于节省开早期的橡胶疲劳寿命预测理论致力于在疲劳裂纹发成本、提高生产利润具有重要的意义。萌生寿命与疲劳损伤参量之问建立一种经验的关橡胶是能发生大变形、具有复杂应力应变关系式，例如通常被选用的幂法则关系：系的超弹性材料，在循环载荷作用下还会出现软P—KN}化、结晶等现象，而且橡胶性能受环境温度、臭氧式中，P是疲劳损伤参量；N是裂纹萌生寿命；K浓度等因素影响很大，因此橡胶材料的疲劳特性和b为材料常数。研究十分复杂，相关理论不像金属材料疲劳研究上述疲

4、劳损伤参量通常与材料某点的应力和那么成熟。应变历程有关，因此疲劳裂纹萌生法能够确定橡胶部件寿命的空间分布状态。该方法适用于在产1橡胶材料的疲劳寿命研究方法品开发设计阶段对产品进行疲劳寿命预测，特别橡胶材料的疲劳断裂过程主要可分为两个阶是初始裂纹小于临界裂纹几个数量级并且橡胶产段：从无裂纹到小裂纹的裂纹形成阶段和从小裂品的裂纹萌生寿命占全寿命的绝大部分比例的纹扩展直至断裂阶段。对于疲劳寿命研究也主要情况。从这两方面展开，对应的两种寿命分析方法称为早期的橡胶疲劳研究主要选取应变参数(如裂纹萌生法和裂纹扩展法。实际应用中，裂

5、纹萌工程应变、八面体切应变、最大剪应变等)作为疲生阶段和裂纹扩展阶段之间的分界比较模糊，一劳损伤参量。1940年，S．M．Cadwell等Ⅲ在研究般针对有明显缺口或裂纹的结构，疲劳寿命的计非填充硫化胶的疲劳寿命时发现：在保持应变幅算方法是基于裂纹扩展法；而对于无明显缺口或值恒定的情况下，天然橡胶的疲劳寿命随着循环最小应变的增大而延长，并且在最小应变小于作者简介：王吴(199o)，男，陕西汉中人，清华大学在读硕士研究生，主要从事橡胶疲劳计算方法以及疲劳实验方面的研究200的情况下都能观察到这一现象，而当最小应工作。变超过

6、这一水平后，疲劳寿命又会随着最小应变58O轮胎工业2015年第35卷的增大而缩短。随后w．V．Mars等用类似的放率或者J一积分)时间历程的条件下，根据已知材方法研究了最小应变对两种合成橡胶疲劳寿命的料裂纹扩展特性预测材料的疲劳裂纹扩展速率。影响。一般来说，对于应变结晶的橡胶，循环加载断裂力学的概念最先由Grifith在1920年最小应变的增大可以提高疲劳寿命。S．M．Cad左右研究金属疲劳问题时首次提出。断裂力学描well的研究没有提到如何将载荷状态相对简单的述的是从材料内部形成裂纹直至材料破坏的过实验结果应用于复杂

7、应变条件下橡胶材料疲劳寿程，主要研究裂纹的扩展速率和材料性质、裂纹长度、结构尺寸以及外加载荷之间的关系。命的预测。而此后一些学者通过研究发现，基于R．s．Rivlin等将Griffith的方法应用于橡应变的疲劳损伤参量无法将简单拉伸和等双轴拉胶材料撕裂问题的研究中。他们发现橡胶材料的伸的疲劳寿命统一起来，J．F．Roach_3]通过研究疲劳裂纹扩展速率由每单位裂纹面积内的应变能得出的结论是应变疲劳损伤参量与橡胶多轴疲劳变化量唯一确定，这一变化量被称为材料的撕裂寿命的相关性较小。能或能量释放率。A．N．Gent等测试了3

8、种不随着断裂力学理论在橡胶疲劳研究方面的逐同几何结构的带有单边缺口的平面拉伸试样的裂步应用，从2o世纪5o年代开始，与应变能相关的纹扩展特性，实验发现3种不同结构的试样得到函数逐渐被用作橡胶材料的疲劳损伤参量。与使的裂纹扩展速率和撕裂能峰值之间的关系是相同用应变或等效应力作为疲劳损伤参量相比，使用的，由此证明橡胶裂纹扩展速率与撕裂