月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究

AERONAUT ICAL MATERIALS2004年4月JOURNALOFApril2004月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究

王少纯,邓宗全,高海波,胡 明

(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件首次用在月球着陆器原理样机中。采用󰀁-71型低温万能拉伸实验机对圆环状金属橡胶试件进行了月球温度范围内的准静态刚度实验,得出了力-位移实验曲线。采用最小二乘法对试验曲线进行了数据拟合,用Matlab编程计算得出了金属橡胶试件力-位移回归方程。采用自由衰减法和冲击实验法分别对金属橡胶试件高、低温阻尼比和动力学特性进行了测试,最后得出了金属橡胶适合于用做月球着陆器中缓冲元件的结论。

关键词:金属橡胶;月球着陆器;力学性能;高低温

中图分类号:V47;TB36 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2004)02-0027-05

金属橡胶是一种特别适用于航天航空环境的

弹性阻尼元件,它具有在很高或很低温度条件下仍能保持工作能力的特性。金属橡胶是将螺旋状的金属丝放在模具中用冷冲压的方法压制成型的,其内部的金属丝相互交错勾联形成类似橡胶的空间网状高分子结构。金属橡胶在受到外力产生位移时,金属丝之间的相互摩擦可以耗散大量能量从而起到阻尼作用。金属橡胶可以用在传统橡胶不能使用的有特殊要求的空间飞行器上,如高温、高压、高真空、超低温及剧烈振动等环境,常被用作减振、过滤及密封等元件。前苏联已多次成功地把金属橡胶应用在空间飞行器上

[1]

1 刚度试验

1.1 测试装置

采用󰀁-71型万能低温拉伸试验机进行金属橡胶试件的准静态力学性能测试。拉伸试验机的主要性能参数示于表1,测试装置原理如图1。 试验中低温是靠液氮来实现,在密闭的圆桶形金属容器内加入液氮,能实现最低77K的低温,而月球表面最低温度为104K,因此液氮制冷在本次试验中完全能够满足要求。

试验中高温的实现是用柔性电热带实现。用自制内嵌电阻丝的长条布带把试件及保温箱缠绕起来,加热一定时间后,试件可达到规定温度。1.2 测试试件

试验所用的金属橡胶试件采用<0.1mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢丝缠绕而成,缠绕成的毛坯用模具冲压压制成如图2所示形状的金属橡胶圆

。在哈

尔滨工业大学研制的月球着陆器原理样机中,金属橡胶作为一种有弹性的阻尼元件被首次应用在着陆器的缓冲腿中。

常温下的金属橡胶力学性能有关文献已经给出,但较高或较低温度下的力学性能以及刚度、阻尼特性等参数还没有文献报道。考虑到月球着陆器的工作环境温度变化较大(175~-169e),作为月球着陆器缓冲元件使用的金属橡胶必须适应这个温度变化。因此,对金属橡胶高低温性能必须进行相关实验。本工作对金属橡胶在月球温度范围内的高低温刚度与阻尼特性进行了试验研究。

收稿日期:2003-12-10;修订日期:2004-02-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(批准号:5037-5032)

作者简介:王少纯(1963-),男,博士研究生,副教授,主要从事航天着陆器及减振器方面的研究。

[2]

图1 金属橡胶低温压缩实验装置图Fig.1 Compressiontestsettingdrawingof

metalrubberinlowtemperature

28 航 空 材 料 学 报 第24卷

表1 󰀁-71型万能低温拉伸机主要参数Table1 Majorparametersof󰀁-71universal

drawframeinlowtemperature

Maximumload1000kgLoadsensitiveness1gPmm2Maximumdeformation

sensitiveness0.1LmMaximumdeformation100mm

Deformationvelocity2@10-3~2@10-2mPmin

Rangeoftemperaturetobetest

4.2~400K

环,其内径<8mm,外径<20mm,高H28mm。选不锈钢丝作为基本材料,既克服了橡胶类有机非金属材料不耐高温、耐腐蚀性差的缺陷,也克服了一般碳素钢及其他金属材料耐腐蚀性差的缺陷。不锈钢的强度和弹性模量都比较大,对金属橡胶施加载荷时,它在压缩后的残余变形很小。对于金属橡胶圆环在压缩后的少量残余变形,根据其所能承受的最大变形量预压4~5次,使之具有一定的预变形,这样就可以排除残余变形对金属橡胶性能的影响。然后再进行加载试验,测定其准静态压力-位移曲线。阻尼材料的压力-位移曲线能直观地表达该阻尼元件的承载能力,是各种阻尼元件的一个最基本的指标。

图2 金属橡胶试件示意图Fig.2 Outsidedrawingofmetalrubber

由于试验所用万能低温拉伸试验机只能拉伸不能压缩,因此还需要制造一个辅助工装来安装试件,把拉力转换为压力。试验中采用自制工装如图3所示。上、下连接螺栓分别和󰀁-71型万能低温拉伸试验机的上、下两个安装螺孔相连,并分别从上下两个方向传递拉伸试验机产生的拉力。上连接螺栓通过上固定板、3个轴向均匀分布的连接螺栓把拉力传到下固定板,下固定板此时产生了一个向上的力;下连接螺栓通过螺钉头把向

下的拉力施加到连接压板上,连接压板对金属橡

胶也产生了一个向下的力。对金属橡胶试件而言,它受到了来自拉伸试验机的双向/压力0。该自制工装结构简单,方便适用,巧妙地把/拉力0转换成了/压力0,而且不破坏金属橡胶试样,保证了试验的顺利进行。

图3 拉压转换辅助工装Fig.3 Auxiliarytechnologyequipment

oftensilecompressionchange

1.3 试验结果

分别对-169e,21e,125e三种温度下的金属橡胶试件进行加载试验,测得三种情况下试件的准静态力学性能曲线(图4)。图4中横坐标

表示圆环试件高度H(H=28mm)压下量的百分比,纵坐标表示试件所受压力,单位为牛顿(N)。由图4可得出如下结论:

(1)无论什么温度下的金属橡胶试件,压力-位移曲线的梯度都逐渐增大,表现出很强的硬刚度特性。这是由于随着压缩变形程度增大,金属橡胶各不锈钢丝之间的正压力和接触面积都随之增大,故丝与丝之间的摩擦力也增大,由此导致试件抗压能力增大,表现出硬刚度特性。硬刚度特性的阻尼元件刚好适合于隔离大载荷的冲击振动[3]

。因此金属橡胶作为航天着陆器的缓冲减振

图4 金属橡胶试件压缩试验力-位移曲线Fig.4 Force-displacementcurvesofmetal

rubberincompressiontesting

第2期 月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究 29

差度量的标准,即应用最小二乘法对不同温度下

的金属橡胶阻尼元件力学性能实验数据进行曲线拟合。首先以-169e时实验数据为例,分别进行二,三,四次多项式拟合,结果如图5所示。

图中星号(*)线为试验数据曲线,实体线为数据拟合结果。由图5可以看出,(c)图所示四次多项式拟合曲线和实验数据最贴近,而(a)和(b)图所示二次,三次多项式拟合结果不理想。因此,金属橡胶在-169e时的压缩试验结果以(c)图的四次拟合曲线为准。同理,经反复实验对比,金属橡胶在21e时的试验数据应采用四次多项式进行曲线拟合,而125e时的试验数据应采用

阻尼元件是比较适合的。

(2)温度越高,试件的刚度值越大。在大于15%大变形段范围内,变形量越大,不同温度下的刚度差越大。这是因为温度越高,金属丝之间的摩擦系数越大。在相同压缩程度(正压力和接触面积也相同)的情况下,摩擦系数越大,摩擦力越大,试件抗压能力也越大。当然温度越高,金属丝的强度和刚度会有不同程度的下降,但下降幅度没有摩擦系数的上升幅度大,所以金属橡胶试件宏观上表现出刚度增大现象。

1.4 试验结果数据拟合

试验所得数据采用欧氏范数+D+2作为误

图5 -169e时试验结果的2,3,4次拟合曲线

(a)二次拟合曲线;(b)三次拟合曲线;(c)四次拟合曲线

Fig.5 Fittingcurvesof2,3,4ordertestingresultswhentemperatureis-169e

(a)2orderfittingcurves;(b)3orderfittingcurves;(c)4orderfittingcurves

三次多项式拟合比较理想。图6为金属橡胶分别在3个温度时用最小二乘法进行曲线拟合后的最佳结果。对应这3条曲线,回归方程为:

432

y=0.0001x-0.0053x+0.0944x- 0.387x+0.9615(T=-169e)

432

y=0.0001x-0.0022x+0.0279x+ 0.0457x+0.2708(T=21e)

32

y=0.0048x-0.121x+1.1617x-(1)

1.3676(T=125e)

式中:y)阻尼元件所受压力(N),x)元件高度的百分数(H%)。

图6 金属橡胶力-位移拟合曲线Fig.6 Force-displacementfitting

curvesofmetalrubber

2 阻尼试验

作为减振缓冲元件使用的金属橡胶,必须要测试其动态特性即阻尼性能。当所使用的阻尼元

件的阻尼机制无法精确知道时,常采用自由衰减法测试出其自由衰减振动位移-时间曲线,然后按

[4]

下式确定阻尼比:

F=

121+(2PPD)

(2)

式中:D为对数衰减率,可按下式计算:An

D=ln

An+1

(3)

30 航 空 材 料 学 报 第24卷式中:An,An+1分别为位移-时间振动曲线第n,n+1个振幅值。

关于金属橡胶在常温下的阻尼比,已有文献报道,但金属橡胶在月球温度范围内阻尼比却未见报道。本研究测试了月球高温(125e)、月球常温(21e)和月球低温(-173e)三种情况下的阻尼比。实验中高温、低温的实现分别采用液氮冷却和电热带加热的方法实现。表2为金属橡胶试件高温时采用自由衰减法测得的每一振动周期的振幅值。

表2 高温金属橡胶振幅值

Table2 Amplitudemagnitudeofmetalrubber

inhightemperatureFadingfactor

1

2

3

4

5

AmplitudeofvibrationPmm10.24.52.62.11.7

依次由方程(3),(2)计算可得出阻尼比F1,F2,,F5,然后求其平均值,得出高温金属橡胶的平均阻尼比F=0.071。重复和高温金属橡胶阻尼测试同样的过程,测得低温金属橡胶的阻尼比F=0.050。

3 冲击试验

图7是金属橡胶试件高、低温冲击试验装置

示意图。用一个重53N的重物块,在距地面150mm的高度自由下落,撞击摆放在地面上有内孔的圆柱形金属橡胶试件(图2)上。在重物块的上面放置一YD-12D(14)型压电式加速度传感器,传感器和CA-1A电荷放大器相连。重物块每次撞击金属橡胶试件时的撞击力会使传感器里面的压电陶瓷产生撞击力方向的尺寸变化,尺寸变化使压电陶瓷产生电压变化。由于电压变化的量值很小,所以通过CA-1A电荷放大器把电压信号放大。电压信号属于连续变化的模拟量,通过INV204APD转换卡把它变为计算机能够处理的间断的数字量。数字量输入计算机后,用东方振动和噪音技术研究所开发的DASP大容量数据自动采集和信号处理系统软件进行加速度信号的采集、计算、显示与分析处理。试验中的高温加热是用龙江电炉厂制造的KSW-2D-5型电阻加热炉完成的,用液氮进行低温冷却。金属橡胶在低温、高温时的冲击加速度-时间曲线如图8,图9。图中纵坐标代表加速度的间接量

加速度传感器输

图7 金属橡胶试件冲击试验装置图Fig.7 Impacttestsettingdrawingof

metalrubber

图8 金属橡胶高温冲击时加速度-时间曲线

Fig.8 Impactacceleration-timecurveofmetal

rubberinhightemperature

图9 金属橡胶低温冲击时加速度-时间曲线Fig.9 Impactacceleration-timecurveofmetal

rubberinlowtemperature

出的电压值,单位为mV。电压和加速度的换算关系为:1mV=0.149mPs2

。图8中虚竖线和曲线交点处的加速度为冲击加速度的峰值,a=0.149

@1011=150.mPs2

。图9中交点处的加速度为a=104.75mPs2

。图10和11分别为与金属橡胶试件尺寸相同的低温和高温铝蜂窝冲击实验曲线,图中的平缓段为铝蜂窝压缩时的冲击加速度,

第2期 月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究 31

处加速度为a=58.295mPs。

分别比较图8,9和图10,11的冲击试验曲线,可以看出,¹金属橡胶的冲击加速度峰值和铝蜂窝试件比较接近;º冲击加速度的变化虽没有铝蜂窝平稳,但变化不大。

2

而后段曲线的突起为自由下落的重物跌落在水泥地面造成的加速度突变结果。图9中虚线和曲线的交点处加速度为a=71.669mPs,图11中交点

2

4 结 论

(1)金属橡胶的刚度随温度的升高而略有增

大,随温度的降低而略有下降。

(2)无论常温、高温还是低温,金属橡胶都呈现出硬刚度特性。

(3)金属橡胶的刚度是非线性的,其压力和位

图10 铝蜂窝高温冲击时加速度-时间曲线Fig.10 Impactacceleration-timecurveofalum-i

niumhoneycombinhightemperature

移的关系可用方程(1)描述。

(4)用自由衰减法测出了金属橡胶在月球温度范围内高、低温阻尼比。

(5)用冲击实验法测量了金属橡胶的动力学特性,结果和铝蜂窝材料相近,因此金属橡胶可作为着陆器的阻尼材料使用。参考文献:

[1]孙瑜.金属橡胶隔振器隔振机理研究[D].哈尔滨:哈

尔滨工业大学,2001.

[2]敖宏瑞,姜洪源,夏宇宏,等.金属橡胶阻尼元件减振

性能的试验研究[J].机械工程师,2000(2):40-42.[3]5振动与冲击6手册编委会.振动与冲击[M].北京:国

防工业出版社,1992.

[4]程耀东.机械振动学[M].浙江:浙江大学出版社,

1988.

图11 铝蜂窝低温冲击时加速度-时间曲线Fig.11 Impactacceleration-timecurveofalum-i

niumhoneycombinlowtemperature

ExperimentalinvestigationonmechanicalpropertyofmetalrubberusedinLunarLanderinhighorlowtemperature

WANGShao-chun, DENGZong-quan, GAOHa-ibo, HUMing

(SchoolofMechatronicEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:MetalrubberwasusedinaprinciplemodelmachineofLunarLanderatfirstasadampingelementwithelasticbehavior.Quas-istaticrigidityexperimentsforametalrubberringwerecompletedwith󰀁-71typeuniversaldraw-frameinlowtemperatureattherangeoftheMoontemperature,andthecurveofforceanddisplacementwasobtained.Methodofleastsquarewasadoptedtofittheexperimentcurvesandforce,anddisplacementregressionequationsofmetalrubberspecimenwereobtainedwithMatlabsoftware.Spontaneousdecaymethodandimpactexperimentalmethodwereusedtotestdampingratioandotherdynamiccharacterofthespecimeninhighorlowtemperature,respectively.Atlast,theconclusionthatmetalrubberspecimenisfitforcushionele-mentofLunarLanderwasobtained.

Keywords:metalrubber;lunarlander;mechanicalproperty;highorlowtemperature