金属橡胶螺旋网状结构线匝空间多点随机接触特性研究

The random contact between turns directly affects the friction energy dissipation and working reliability of metal rubber materials. In this project, the parameterized characterization of the spiral mesh structure is realized by the differential geometry of curvilinear arcs, combining the results from numerical simulation and experiment, and then, the accurate information of mesoscopic geometric structure and the typical contact shape based on the winding process could be obtained. The surface of a local deformation caused by hook, extrusion, or elastoplastic contact , could be accurately searched and reconstructed in real-time using the method combining Splitting-pinball with adaptive intelligent recombination. Meanwhile, the constraint conditions for multipoint contact in space could be completed by the numerical iteration method, and the mesh generation could be finished by the domain decomposition..In addition, the contact model is applied to analyze the influence of elastic stiffness, resilience, contact point spatial distribution and quantity, contact form and line diameter on the frictional force of the multi-point contact microzone. Then, the relationship among the yield strength, elastic unloading stiffness, energy dissipation and contact velocity under external load could be achieved. Furthermore, the nonlinear variation of the friction coefficient of turns of spiral mesh structure with different load / process parameters could be revealed. Finally, the frictional energy dissipation characteristics of the metal rubber materials could be accurately predicted. These achievements will promote the military application and the industrialization of the metal rubber products.

线匝间随机接触特性直接影响着金属橡胶的摩擦耗能特性及工作可靠性。本项目将实验与数值仿真相结合，应用曲线弧的微分几何学完成螺旋网状结构的参数化表征，获得基于缠绕工艺轨迹的细观几何结构特征和典型接触形态的准确信息；利用Splitting-pinball与自适应智能重组相结合的方法，对材料因勾连、挤压和弹塑性接触而造成局部变形的表面进行接触区精准搜索与实时重构，采用数值迭代与区域分解法处理空间多点接触约束条件与网格划分，建立能较全面准确描述螺旋网状结构线匝动态接触模型；分析线匝弹性刚度、反弹力、接触点空间分布及数量、接触形态、线匝直径大小等对多点接触微区摩擦力的影响，研究外载作用下屈服强度、弹性卸载刚度和能量耗散与接触速度间的关系；揭示螺旋网状线匝间摩擦系数随不同载荷/不同工艺参数的非线性变化规律，最终实现对金属橡胶材料摩擦耗能特性的准确预测。研究结果将推动金属橡胶产品的军事应用和产业化发展。

金属橡胶材料是一种弹性多孔的金属材料，因具有耐高温、耐辐射、刚度可设计等优异的力学性能，已成为装备关键减振材料。但其成型工艺繁琐，导致材料内部结构无序复杂，现有金属橡胶力学模型常采用单一有序的等效模型，无法准确描述勾连交错线匝上各接触点分布轨迹及应力、应变随着线匝间接触滑移、挤压及变形时的动态过程。为此，本项目基于理论、仿真与实验等手段，进行金属橡胶材料的虚拟制备，探究金属橡胶力学性能、制备参数敏感性、几何拓扑结构以及线匝微元间的接触干摩擦耗能机理。具体内容如下：.（1）结合金属橡胶几何数据库、工艺数据库以及材料数据库，基于空间几何轨迹路径与全局-局部坐标的循环迭代机制，构建了空心/实心圆柱和方形金属橡胶的几何模型。充分考虑线匝大变形与接触非线性等特性，有效模拟了金属橡胶内部线匝间多点随机接触的复杂行为，虚拟制备了不同形状的金属橡胶。.（2）在虚拟制备技术基础上，采用小球算法、禁忌搜索算法与超维度矩阵实现了线匝间接触点的精确预估和摩擦状态的实时追踪，进行了金属橡胶准静态下力学性能分析，发现滑移摩擦占接触点总数的大部分，这与材料实际力学性能呈阶跃性变化的等效塑性应变规律一致。.（3）建立不同线匝直径、螺旋卷螺距以及毛坯缠绕角度的金属橡胶有限元模型。采用控制变量法进行单因素影响分析。结果表明，通过减小线匝丝径、螺距或增大缠绕角，可有效改善线匝间接触方式和接触点数，获得更为优异的阻尼耗能特性。同时通过正交试验得出，线匝直径对金属橡胶的力学影响最大，而螺距影响最小，仿真预测方法与实验结果的误差接近5%。.（4）引入一种具有自形变特征的微元弹簧单元体，通过统计微元弹簧对组合的概率分布，表征线匝的无序式随机组合模式。建立了包含材料形状、密度、线匝直径、螺旋卷螺距、线匝弹性模量等宏观参数以及内部线匝的空间分布规律、接触形态、摩擦系数等细观结构信息的本构关系模型，并进行试验验证。.（5）基于元胞组能量耗散机制构建一种真实有效的摩擦耗能本构模型，实现实时动态捕捉材料拓扑结构各线匝干摩擦行为与宏观阻尼迟滞现象的映射关系，探究金属橡胶在时间与空间双重维度上的接触摩擦动态能量变化。根据实验手段验证了阻尼耗能模型的有效性。