高弹态线型填充橡胶大变形力学行为研究

Due to its high elasticity and high damping characteristics, rubber materials are widely used in the vibration and noise reduction design of ship equipment. The airbag isolator is a composite structure with cord-reinforced rubber, which is an effective way to achieve high-efficiency vibration isolation of large rotating machinery on ships and submarines. The mechanical behavior of high-elastic linear filled rubber in large deformation is the basic science issue to study the molding process of rubber composite structure. In this project, the non-contact Automatic Grid Method is used to carry out the large deformation mechanical behavior tests in different deformation modes. The test range of strain rate is extended from the low strain rate to the medium strain rate, and the characterization method of nonlinear mechanical behavior of the high-elastic linear filled rubber is constructed. And then the constitutive model is applied to the molding process simulation of the airbag isolator, "opening" the "black box" of the manufacturing process of the composite rubber structure. The key molding process parameters are identified, which provides a new reference for the manufacturing process design of the ship vibration isolation structure.

橡胶材料因其本身的高弹性和高阻尼特性，广泛应用于舰艇装备的减振降噪设计中。气囊隔振器为帘线增强的橡胶复合结构，是实现舰船和潜艇上大型旋转机械高效隔振的有效途径，高弹态线型填充橡胶大变形力学行为是研究橡胶复合结构成型工艺的基础科学问题。本项目采用非接触式自动网格法开展不同变形模式的大变形力学行为试验，将应变率测试范围从低应变率拓宽至中应变率，建立较宽应变率范围内高弹态线型填充橡胶材料非线性力学行为的表征方法，并将高弹态线型填充橡胶本构模型应用于气囊橡胶隔振器的成型工艺仿真中，“打开”复合橡胶隔振结构在制造过程中的“黑匣子”，识别出关键成型工艺参数，为舰船橡胶隔振结构的制造工艺设计提供新的借鉴。

本项目重点关注高弹态线型填充橡胶力学行为的试验方法、表征模型和制造工艺仿真研究。在国家自然基金委和依托单位中国船舶第七一九研究所的支持下，围绕高弹态线型填充橡胶的大变形力学行为（工程应变在100%以内），建立了较宽应变率范围内的橡胶非线性力学行为试验方法，发展了同时考虑高弹性和粘性流动特征的力学本构模型和表征理论，并成功应用于橡胶复合结构成型工艺过程数值仿真，“打开”了橡胶复合结构在制造过程中的“黑匣子”，识别出关键成型工艺参数，有望为提升橡胶复合结构制造工艺水平提供新的借鉴。.本项目完成了既定的研究内容如下：.（1）针对高弹态线型填充橡胶大变形力学行为，提出适合于较大表面粘性软材料的试件制备方法，采用非接触变形测试系统准确获得试件在加卸载过程中的表面全场变形信息，通过设计不同变形模式（单调拉伸、循环加卸载、松弛、平面拉伸、压缩）的力学试验，较系统考察了多种生胶材料的非线性力学行为，并初步探讨了不同温度下未硫化橡胶的拉伸力学响应。.（2）分别采用广义麦克斯维尔模型、平行网络模型以及三网络泡沫模型对高弹态线型填充橡胶大变形力学行为进行表征。对比结果表明，经本研究改进的三网络泡沫模型可较为准确地描述高弹态线型填充橡胶在不同应变率下的超弹性、粘性以及应力软化等响应特征，理论曲线与试验数据吻合较好，且对于不同的变形模式（单轴拉伸、平面拉伸和压缩）均有着较好适应性。.（3）以汽车轮胎为例，建立了橡胶复合结构压延成型、生坯成型和硫化定型三个工艺过程的数值仿真方法，系统探讨了基本假设、网格划分、接触条件、载荷/边界条件和求解算法与收敛控制等关键问题，成功实现了橡胶复合结构成型工艺过程的数值模拟，系统获得了各部件胶料的流动和受力变形情况，验证了高弹态线型填充橡胶非线性力学表征模型及成型工艺过程仿真方法的有效性。