动态载荷作用下填充橡胶的力-热-老化耦合行为与疲劳寿命分析

Filled rubber is a widely used damping material; the accurate description and prediction of its dynamic mechanical properties and fatigue life are of great importance and become one of the common challenges for both academic and engineering researches. This project will determine the static and dynamic mechanical properties, thermo-rheological characteristics and thermal oxidative aging performance through static and dynamic mechanical tests, creep and relaxation tests, and thermal aging treatments. The thermal-oxidative aging mechanism, viscoelastic energy dissipation, thermo-mechanical coupling and fatigue damage evolution under cyclic loading will be discussed in detail, and a thermo-aging-mechanical coupled hyperviscoelastic constitutive model, in which the thermal oxidative aging effect and damage evolution are taken into account, will be achieved. In addition, fatigue fracture tests will be conducted to investigate the fatigue damage evolution law and the damage mechanism of the filled rubbers. The project will also investigate the interrelationship among the material's responses to constant loads，constant strain rate loads and alternate loads, and develop a new accelerated test and prediction method for the fatigue strength and fatigue life of filled rubbers. The thermo-rheological characteristics, thermal oxidative aging, fatigue damage evolution and fracture, and viscoelastic dissipation are considered comprehensively to achieve such a method using the so called master curve which is based on the time-temperature-stress superposition principle. The research achievements would provide crucial guide for the structural design and integrity evaluation of filled rubbers.

填充橡胶是一种应用广泛的减振材料，交变载荷下动态力学性能的准确描述、疲劳损伤模型的构建和疲劳寿命的有效预报是学术界和工程界的共同难题。本项目通过静态与动态力学测试、蠕变与松弛试验以及热氧老化试验，获取材料的静态与动态力学性能、热流变特性与热氧老化规律，研究热氧老化对材料分子链网络的影响、交变载荷下黏滞损耗、热力耦合效应和疲劳损伤演化规律，建立力-热-老化耦合的非线性热黏超弹性本构模型；开展疲劳破坏测试，探讨填充橡胶的疲劳损伤机理，研究常应变率加载、蠕变加载和疲劳加载下材料响应之间的关联，综合考虑橡胶材料的热流变特性、热氧老化规律、疲劳损伤演化和失效规律，基于时间-温度-应力等效原理的主曲线方法和黏滞生热规律，发展一种新的橡胶疲劳强度和寿命的加速测试和预报方法。研究成果将为填充橡胶的结构设计与完整性评定提供重要参考。

填充橡胶广泛用作减振材料，其交变载荷作用下的动态力学行为的准确描述和疲劳寿命的有效预报是学术界和工业界共同关注的难题。本项目通过不同温度、频率和应变幅值条件下的动态黏弹性能测试和疲劳破坏试验，分析材料的热流变特性、非线性黏弹性力学性能和疲劳寿命，构建了一种修正的分数阶微分Zener本构模型，建立了载荷频率、载荷大小以及温度相关的黏滞损耗计算模型，开发了热力耦合仿真分析程序，发展了温度相关的疲劳裂纹扩展动力学方程，提出了基于黏滞自热平衡温升的疲劳寿命预测方法。研究成果将为填充橡胶复杂力学行为分析与疲劳失效评定提供重要参考。.具体的研究成果包括以下四个方面：（1）基于不同温度下的DMA频率扫描测试结果，得到了填充橡胶材料的动态存储模量、损耗模量和损耗正切主曲线，表明该材料是一种热流变简单材料，满足时间-温度等效原理，这为材料的温度相关力学行为提供了重要基础，同时针对动态黏弹性能峰值的非对称特性，构建了一种修正的分数阶微分Zener本构模型。（2）基于不同频率和应变幅值条件的DMA时间扫描测试和红外热像分析，得到了填充橡胶交变应变下黏滞损耗引起的自热升温规律，结合DMA应变幅值扫描测试和Payne效应研究结果，在Kraus模型的基础上，建立了损耗模量和黏滞损耗的计算模型，开发了相应的热力耦合仿真程序。（3）开展了填充橡胶的撕裂性能研究和疲劳破坏分析，其临界撕裂能的温度相关性满足指数衰减律，温度通过影响材料的临界撕裂能和动态黏弹性能来改变橡胶结构的疲劳寿命，项目发展了温度相关的疲劳裂纹扩展动力学方程，基于此可以计算不同温度条件和交变应变下的橡胶疲劳寿命。（4）基于疲劳过程的热力耦合效应和黏滞自热机理，通过计算和测量黏滞自热温升来评估橡胶材料和结构的疲劳寿命，项目提出了疲劳寿命预测的热耗散准则和基于自热平衡温升的疲劳寿命预测方法。.项目组发表期刊论文11篇，其中SCI论文8篇；获得授权国家发明专利1项、实用新型专利2项，申请并实审的发明专利2项；组织承办全国性学术会议1次、专题研讨会3次，在15个国际国内会议上口头报告26次；培养出站博士后1名、毕业博士3名、毕业硕士8名。