多轴拉伸中弹性体检测方案(万能试验机)

CAE技术和多轴拉伸试验机在弹性体测试中的应用 摘要 从20世纪70年代开始，金属材料的等轴疲劳问题逐渐受到学术界的重视，而关于橡胶材料的疲劳研究，多年来主要针对单轴疲劳展开。进入21世纪，才有学者对橡胶多轴循环载荷下橡胶材料拉伸疲劳展开研究。无论从理论上、还是实验上，橡胶材料的疲劳断裂性能往往决定这些制品的使用寿命。为了保障橡胶制品使用时的安全性和可靠性，对橡胶多轴疲劳特性的研究已成为热点。 橡胶减震材料基础力学性能测试包含：单轴拉伸、平面拉伸和等轴拉伸。而这些测试数据能为橡胶减振产品有限元计算提供必要的参数。 传统的单轴拉伸还是通过拉力机对哑铃型或者长径比大于10的长条型试样进行拉伸测试得到。而平面剪切试验可以看做是对一个更宽大的试样进行平面拉伸试验，除自由边和夹紧边附近，应变状态可认为是均匀的。但是这两种测试在实际的拉伸过程中，试样的体积或面积变化很难进行测量，且试样的体积变化不可忽略，因此单轴拉伸测试数据并不能提供足够的数据支撑。 而在单轴压缩试验时，由于试样与测试压盘间的摩擦力，使得试样在压缩过程中无法自由均匀的膨胀，因此呈现出存在拉伸和剪切应变的非纯压缩应变状态。而且此过程中无法测定其摩擦系数，所以试验数据无法进行有效修正。理想的单轴压缩状态试样半径均匀增大并始终保持圆柱形，这种变形特性等效于圆柱面上受到均布径向拉力的状态，因此，可以利用等轴拉伸试验代替单向压缩试验。 等轴拉伸试验装置较为复杂，通过重新设计夹具，将16个对开槽的圆形薄片试样进行放射状拉伸，并通过特殊的非接触式的激光应变传感器来测定试样在拉伸过程中的应变。该装置使得等轴拉伸试验也可以在单拉试验机上完成。 其中，对大多数橡胶材料的应力-应变响应，等轴拉伸的数量级最高，在试验数据和各种材料拟合时发现，不同模型预测的等轴拉伸试验响应变化幅度最大。因此，开展等轴拉伸测试有利于材料模型的确定，并提高材料模拟精度，大幅缩短研发周期。 橡胶由于隔振降噪性能良好、成本低廉而在汽车上得到广泛应用,如汽车动力总成隔振橡胶悬置、车身悬置、排气管悬置、悬架衬套等。橡胶有限元分析是进行橡胶元件设计开发的现代分析方法。橡胶材料通常用超弹性本构模型或黏弹性本构模型来模拟,具有较强的材料非线性,本构关系复杂。其变形具有大变形几何非线性的特点；其体积完全不可压缩或几乎不可压缩。进行橡胶有限元分析时,这些特点会导致收敛性、稳定性及准确性方面的困难。这是橡胶有限元分析在理论上的难点。在长期进行橡胶有限元及其工程应用的研究和实践过程中,对橡胶有限元在理论上及工程应用上的难点均有所涉及。 随着对橡胶材料本构关系不断深入的研究，已建立了多种不同理论为根基的材料本构模型。包括Mooney Rivlin模型、Blatz-Ko模型、Knowles模型、Ogden模型、Yeoh模型等。当橡胶材料在发生大变形时通常作为超弹性材料处理，因此可使用基于应变能密度函数的本构模型来描述。 在研究材料本构关系的同时，人们也开始着眼于如何对材料进行更加合理的试验从而获得更加完善和真实的材料特性曲线，并通过后续的有限元分析来检验材料模型的适用性，减少误差并检验材料模型表达材料性能的准确性。因此，在有限元分析之前，必须获取准确丰富的材料数据。 随着有限元分析技术的不断发展，各行业均对材料试验曲线和材料本构模型进行了大胆的尝试，验证它们对有限元分析结果的影响。 传统的单轴拉伸还是通过拉力机对哑铃型或者长径比大于10的长条型试样进行拉伸测试得到。而平面剪切试验可以看做是对一个更宽大的试样进行平面拉伸试验，除自由边和夹紧边附近，应变状态可认为是均匀的。但是这两种测试在实际的拉伸过程中，试样的体积或面积变化很难进行测量，且试样的体积变化不可忽略，因此单轴拉伸测试数据并不能提供足够的数据支撑。