橡胶材料疲劳断裂特性研究进展_李晓芳

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断裂力学方法在橡胶复合材料疲劳研究中的应用

断裂力学方法在橡胶复合材料疲劳研究中的应用刘宇艳　田振辉　杜星文(哈尔滨工业大学　150001)摘要　综述断裂力学方法在橡胶复合材料中的应用现状,着重介绍了撕裂能理论在预测疲劳裂纹增长速率以及预报疲劳寿命方面的应用。

关键词　断裂力学,橡胶复合材料,疲劳作为各种车辆和飞机的接地部件,轮胎在工作状态下主要承受周期变化的载荷作用,其强度和寿命主要取决于结构材料的疲劳特性。

因此,研究橡胶复合材料在长期机械载荷作用下的疲劳行为,不仅可以为轮胎疲劳寿命的预报提供研究基础,而且可以为其结构的优化设计提供理论指导。

应用断裂力学方法研究橡胶复合材料的疲劳特性,是近几年来轮胎工业中非常令人关注的课题。

橡胶复合材料在周期载荷的作用下,会产生疲劳裂纹,裂纹在疲劳过程中逐渐扩展,最终将导致材料破坏。

断裂力学描述的就是从材料内部形成裂纹(1mm)直至材料破坏的这一过程。

它研究了裂纹的增长速率与材料性质、裂纹长度以及外加载荷的关系。

由于试验结果只与材料的基本性能参数有关,因此能应用于广泛的橡胶领域和变形类型。

1　断裂力学基本理论111　撕裂能的定义Rivlin和Thomas[1]最早将断裂力学应用于橡胶疲劳,提出了以弹性能为基础的参数用于研究橡胶疲劳。

能量法使不同几何形作者简介　刘宇艳,女,26岁。

哈尔滨工业大学复合材料研究室复合材料专业95级博士生。

曾在《材料工程》等刊物发表论文5篇。

状和变形的样品的裂纹增长结果发生联系,将裂纹增长和疲劳寿命定量联系起来,奠定了将实验测试和使用情况联系起来的基础。

Rivlin和Thomas提出将裂纹每增长单位面积释放的能量称为撕裂能(T),数学定义式为T=-9U9A(1)式中,U为贮存在样品中的弹性应变能,A 为裂纹的一个断裂表面的面积(未应变状态),部分积分表明样品变形一定,外力不做功。

对于各种简单形状的试样,撕裂能都能计算[2],其中一些如图1所示,对应的关系式也在图中给出。

应变能密度W0可以通过积分试验的应力2应变曲线直接得到。

丁苯橡胶复合材料的疲劳破坏性能及机理的开题报告

不同填料/炭黑/丁苯橡胶复合材料的疲劳破坏性能及
机理的开题报告
1. 研究背景和意义
疲劳破坏是多种材料和结构所共有的现象，尤其对于机械设备和结
构来说，疲劳破坏往往是其主要的失效模式之一。

因此，研究材料的疲
劳破坏性能及机理，对于提高材料疲劳寿命、延长结构的使用寿命、提
高设备的可靠性具有重要意义。

填料和炭黑是丁苯橡胶复合材料中常用的增强材料，可以提高其机
械性能和耐磨性能。

然而，填料和炭黑的种类和含量对丁苯橡胶复合材
料的疲劳破坏性能和机理也会产生影响。

因此，研究不同填料和炭黑增
强丁苯橡胶复合材料的疲劳破坏性能及机理，对于合理选择填料和炭黑、优化复合材料结构具有理论和实际意义。

2. 研究方法
本研究将采用实验和理论分析相结合的方法，具体包括以下步骤：
2.1 实验部分
通过制备不同含量和种类的填料和炭黑增强的丁苯橡胶复合材料试样，采用恒振幅加载方式，测试复合材料的疲劳寿命和疲劳强度曲线。

2.2 理论部分
通过建立丁苯橡胶和填料或炭黑之间的力学模型，分析不同填料和
炭黑增强的丁苯橡胶复合材料的力学性能和断裂机制，从而预测其疲劳
破坏性能。

3. 预期成果与意义
本研究预计可以得到以下成果：
3.1 揭示不同填料和炭黑增强的丁苯橡胶复合材料的疲劳破坏机理和性能，为合理选择填料和炭黑、优化复合材料结构提供理论依据；
3.2 提高丁苯橡胶复合材料的疲劳寿命、延长结构的使用寿命、提高设备的可靠性，具有重要的实际应用价值；
3.3 加强对材料力学性能和断裂机制的认识，为材料力学研究提供新的思路和方法。

天然橡胶的疲劳特性研究进展

使用Ｘ射线断层摄影术观察宏观、微观和微观亚
破坏的方法研究了天然橡胶在不同载荷情况（如压缩／缩、仲／伸、仲／转和压缩／转）压拉拉拉扭扭下的疲劳引发和增长，现疲劳破坏依赖于三个发基本因素，即化学（成、晶）环境（组结、氧气）力和
影响其疲劳破坏的因素进行了归纳，简单描述并
了预测橡胶疲劳寿命的两个基本方法。
１天然橡胶疲劳破坏机理
针对具体的天然橡胶的破坏情况，同的研不
究也提出不同的具体观点。ＫＬｇｒｕｊｇｅｏｊ－ｏ等ａ］
系数和力学松弛等物理力学性能与其交联类型有
很大关系，硫黄和促进剂的用量则决定了硫化胶的交联密度和交联类型。一般来说，普通硫化在体系、半有效硫化体系、有效硫化体系三者中，多硫键占大多数的普通硫化体系抗疲劳性能最好，
维普资讯
品
ＳｅｉｌｒｏｅＲｕｂｒＰｏｕｔｐｃａＰｕｐｓｂｅｒｄｃｓ
Ｖ０Ｉ８Ｎｏ５ｌ２．
Ｏｃｏｅ０７ｔｂｒ２０
２００７年１Ｏ月
文献标识码：Ａ文章编号：Ｏ５４３（０７０一Ｏ５一Ｏ１Ｏ — ００２０）５Ｏ３４
关键词：然橡胶；劳特性；劳机理天疲疲

材料的疲劳与断裂行为研究

材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。

疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。

研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。

1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。

了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。

2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。

通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。

常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。

2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。

损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。

常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。

3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。

通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。

3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。

通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。

常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。

4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。

材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。

因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。

5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。

通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。

未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。

参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。

橡胶材料的疲劳性能分析

橡胶材料的疲劳性能分析橡胶是一种经常被使用的材料，它可以被应用在各种场合，例如汽车轮胎、机械密封件、管道等。

然而，这种材料在长时间的使用过程中会遭受众多的疲劳损伤，而这些损伤是不可避免的。

因此，理解橡胶材料的疲劳特性是非常重要的，这不仅可以提高橡胶制品的耐久性，还可以为工程领域提供有用的信息。

橡胶材料的疲劳现象指的是在反复的应力和形变交替作用下，材料内部出现的破裂、断裂、裂纹扩展等现象。

在橡胶材料中，疲劳机理主要可以归纳为两种：一种是底层断裂模式，另一种是表层断裂模式。

底层断裂模式指的是在材料中部或下部形成的疲劳破坏，而表层断裂模式指的是在材料表面形成的疲劳破坏。

为了更好地理解和评估橡胶材料的疲劳性能，工程师们可以利用实验方法进行研究。

其中，最常用的疲劳试验方法是拉伸疲劳试验，这种试验方式既能够确定橡胶材料在不同载荷下的疲劳极限，同时也能够评估材料的耐久性。

在进行拉伸疲劳试验时，需要注意试验的载荷频率、环境温度、湿度等参数，同时应使用符合标准的试验设备，以确保实验结果的准确性和可靠性。

在进行橡胶材料的疲劳性能评估时，应注意以下几个方面：1. 不同类型的橡胶材料的疲劳性能有所不同，需要根据实际应用需求选择合适的材料类型。

2. 利用不同的试验方法可以获得不同的疲劳性能数据，应根据实际应用需求选择合适的试验方法。

3. 环境条件对橡胶材料的疲劳性能有重要影响，应在实际使用环境下进行合适的疲劳试验。

4. 不同的疲劳模式需要采取不同的措施进行防止和修复，应根据疲劳模式的不同选择合适的预防和修复方法。

综上所述，橡胶材料的疲劳性能是影响橡胶制品寿命和性能的重要因素，能够对该领域的工程师们提供有益的信息。

因此，对橡胶材料的疲劳性能进行深入研究和评估是非常重要的，可以帮助我们更好地理解材料的性能和特点，从而提高橡胶制品的质量和可靠性。

耐疲劳硅橡胶的研究进展

载荷施加方式可分为：拉伸疲劳测试、屈挠疲劳测试和压缩疲劳测试等。
相容性，将按键用硅橡胶的定伸疲劳寿命大幅提高到１０００万次以上，击键寿命近亿次。
表１为反应性烷氧基聚硅氧烷结构对按键用硅橡胶耐疲劳性的影响。
态使用，但随着硅橡胶在电子、汽车、建筑、太橡胶制品（如按键、胶带、减振器等）表现出强劲的发展活力。这类硅橡胶制品都是在动态形变条件下使用，硅橡胶材料的耐疲劳破坏性能决
定了橡胶制品的使用寿命，因此研究硅橡胶材料
随着硅橡胶技术与市场的迅猛发展，硅橡胶的材料成本与工艺成本已大幅降低，与通用有机合成橡胶如乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶等相
比已具有明显的比较优势。历史上硅橡胶首先在
速度受橡胶材料本身的粘弹性控制，因而表现出
很强的时间／温度依赖性。分子运动论则认为，橡胶材料的疲劳破坏归因于材料分子链上化
学键的断裂，即试样在周期性应力／应变作用下，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展，直至材料发生宏观破坏。尽管这两种基本观点的出发角度不同，但却存在一个共同点，即疲劳破坏都源于外加因素作用下，橡胶材料内部的微观缺陷或薄弱处的逐渐破坏。一般来讲，橡胶材料的动态疲劳过程可分为三个阶段：第一阶段橡胶材料在应力作用下变软；第二个阶段是在持续外应力作用下，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，这一阶段产生的微裂纹的生成是可逆的；第三个阶段微裂纹发展成为

橡胶材料疲劳断裂特性研究进展

２．ｅｈａｉｓＰｓｄｃｏａｔｔｏＭｃｎｃｏｔｏｔｒｌＳａｉｎ，ＨａｂｎＩｓｉｕｅｏｃｒｉｎｔｔｆＴｅｈ．，Ｈａｂｉ５００１，Ｃｈｉａ；ｔｒｎ１０ｎ
３Ｎ．ｉＰｏｕｔｎＰａｔａｉｉｉｌＣ．Ｄｑｎｅｏｇａｇ１３１，ｈｎ）．ｏ２Ｏｌｒｄｃｏｌ．ＤｑｎＯｌｅｏ．ａｉＨｉｎｊｎ６４４Ｃｉａｉｎｇｆｄｇｌｉ
ｆａｔｒｅｈｉｓａｅｓｍｍａｚｄ，ｗｈｉｈａｅｕｕｌｓｄｔｅｃａｉｕｉｏｂｅ．Ｔｈｕｒｎｒｃｕｅｍｃａｃｒｕｎｉｒｅｃｒｓａｌｕｅｏｐｒｄｉｔｆｔｅｌｅｆｒｒｂｒｙｇｆｕｅｃｒｅｔ
（．ｅｅｒｎｔｕｆｒｄｃｏｎ．ａｉｉｉｄＣ．ａｉｉｎｊｎ６４３Ｃｉａ１ＲｓａｃＩｓｔｔｏｏｕｔｎＥｇ，ＤｑｎＯｌｅｏ，ＤｑｎＨｅｏｇａｇ１３５，ｈｎ；ｈｉｅＰｉｇｆｌｇｌｉ
Ｒｅｅｒｈａｖｎｅｏｕｅａｅｉｌｆｔｇｎｓａｃｄａｃｎｒｂｂｒｍｔｒａａｉｕｅａｄｆａｔｅｃｒｃｅｉｔｃｒｃｕｒｈａａｔｒｓｉｓ
Ｌａｆｎ，ＺＨＡＮＧｕｌａｇＩＸｉｏａｇＣｈｎｉｎ
橡胶材料疲劳断裂特性研究进展
李晓芳，张春亮
（．庆油田公司采油工程研究院，黑龙江大庆１大１３５；６４３

橡胶疲劳失效行为

橡胶疲劳失效行为绍橡胶疲劳失效行为的研究进展。

橡胶疲劳失效的研究方法有裂纹成核法和裂纹扩展法；分析交联网络、填料、应力-应变条件和环境条件等对橡胶疲劳寿命的影响因素；综述耐疲劳橡胶的研究进展。

橡胶疲劳失效的研究应多关注交联网络和填料分散等微观现象，进一步探讨纳米填料对橡胶疲劳性能的影响。

关键词：橡胶；疲劳失效；疲劳寿命；裂纹；交联网络；填料橡胶作为一种不可替代的弹性材料已经有160多年的应用历史，在国防建设和经济建设中得到广泛应用。

橡胶不仅是生活中不可缺少的物质，也是发展高新技术所必需的高性能材料和功能性材料。

为达到减振降噪、柔韧耐磨的目的，橡胶常与金属复合制成弹性元件，这些弹性元件在许多高精尖领域广泛应用[1-2]。

随着橡胶制品的使用条件日益苛刻，橡胶疲劳失效问题日益突出，亟需解决。

近年来，与橡胶疲劳失效相关的基础理论和表征方法研究受到广泛关注。

本文从橡胶疲劳失效的研究方法、橡胶疲劳寿命的影响因素和耐疲劳橡胶的研究进展等方面，综述橡胶疲劳失效行为的研究概况。

1·橡胶疲劳失效的研究方法材料疲劳失效过程大致可分为4个时期：疲劳裂纹成核期、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期与瞬时断裂（失稳扩展）期，这4个时期也可以综合为2个阶段，即裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段。

裂纹形成阶段包括裂纹成核期和微观裂纹增长期，裂纹扩展阶段包括宏观裂纹扩展期和瞬时断裂期。

疲劳寿命可以相应分为裂纹成核寿命和裂纹扩展寿命2个部分。

对于低周疲劳，裂纹形成早，裂纹成核寿命短，裂纹扩展寿命接近疲劳寿命，所以在低周疲劳设计时，主要考虑裂纹扩展寿命。

但在高周疲劳中，裂纹成核寿命在疲劳寿命中占主导地位，所以在高周疲劳设计时，既要考虑裂纹成核寿命也要考虑裂纹扩展寿命[3-6]。

通常用裂纹成核法和裂纹扩展法预测橡胶疲劳寿命。

1.1裂纹成核法从材料承载开始，一直到裂纹形成并扩展至某一可检测尺寸的过程称为疲劳裂纹形成阶段。

裂纹成核法是根据疲劳过程应变或应力的变化来预测裂纹成核寿命。

橡胶密封圈疲劳寿命预测研究方法综述

橡胶密封圈疲劳寿命预测研究方法综述摘要：橡胶密封圈对提高设备密封性能有重要作用，通常作为密封构件广泛应用于工业机械设备。

概述橡胶密封圈的疲劳寿命研究方法，主要分为S-N曲线法、裂纹萌生法和裂纹扩展法。

从寿命预测计算理论出发，阐述常用的计算模型，总结实现橡胶密封圈寿命预测计算的方式，对初步了解橡胶材料寿命预测方法和计算模型之间的关系具有重要意义。

关键词：橡胶密封圈 S-N曲线裂纹萌生裂纹扩展寿命预测橡胶属于高分子材料，具有弹性性质，能够为设备提供良好的密封性能，因此广泛应用于燃油、液压、润滑等密封系统。

在复杂工况下，橡胶密封圈经常出现老化、破裂、永久变形、间隙咬伤、腐蚀等失效现象。

为了有效预防泄漏事件的发生，许多国内外学者对橡胶密封圈使用寿命的预测方法展开了研究。

王昊等[1][2]综述了橡胶疲劳影响因素和裂纹萌生、裂纹扩展等橡胶疲劳寿命研究方法，阐述了通过有限元仿真技术预测橡胶材料疲劳寿命的研究进展。

杜秀华等[3]概述橡胶构件的疲劳寿命研究方法主要分为裂纹成核法、裂纹扩展法和S-N曲线法，并给出各研究方法的选择依据。

王小莉等[4][5]从橡胶材料的疲劳裂纹萌生、扩展以及疲劳损伤三个角度综述了疲劳特性研究进展。

丁智平等[6]采用连续介质损伤力学方法，结合有限元分析方法对橡胶构件进行寿命预测，预测结果比较理想。

刘兵[7]以某伺服作动器为研究对象，计算了橡胶O形圈的疲劳寿命，为橡胶材料寿命预测提供了分析方法和数值依据。

王星盼[8]对不同温度和多轴应力作用下的橡胶进行疲劳特性研究，通过有限元方法对橡胶构件进行了寿命预测。

裴硕等[9]基于断裂力学理论，对丁腈橡胶建立了疲劳寿命预测模型，通过FE-SAFE软件对橡胶材料进行了寿命预测。

综上所述，橡胶材料寿命预测最常见的方法有S-N曲线法、裂纹萌生法和裂纹扩展法。

1 S-N曲线法对橡胶密封圈施加周期性应力(应变)是影响疲劳寿命的主要原因，应力(应变)增加，疲劳寿命减少，反之增加。

橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展_张浩

［19 ］
张
浩等: 橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展
18003
表 2 基于应力的疲劳损伤参量 Table 2 Fatigue damage parameters based on stress
疲劳损伤参量最大柯西主应力等效应力范围等效应力文献 Abraham( 2005 ) Ｒ． K． Luo( 2006 ) 、丁智平( 2014 ) G． Ayoub( 2011 ， 2012 )
橡胶的疲劳问题从20世纪40年代开始受到关注经过70多年的发展已经出现了多种预测模型但是目前还没有建立一个统一的能够准确预测橡胶元件疲劳寿命的模型对橡胶疲劳的机理方面的研究也没有形成一致的结论1g6本文主要对橡胶疲劳性能计算方法及机理方面的研究进行回顾重点讨论最近10年的研究工作并对其未来的发展趋势进行展望
研究表明，当最大柯西主应力水平，为某一常数值时最小应力若恒为正，则可提高疲劳寿命。文中同时指出最大柯西主应力不能单独应用于多［21 ］轴疲劳寿命预测。Ｒ． K． Luo 等利用有限元计算得到橡胶减振器的等效应力范围，如式 ( 3 ) 所示，结合 S2 2 2 1 S2 S2 － S3 S2 B3 λ4 1 λ 1 cos θ 2 B λ 1 sin θ 1 sin θ S eq = × ( 4) + + ( cos2 θ + B － 2 sin2 θ ) S 1 / λ 1 S 2 / λ 2 S 3 / λ 3 B = λ2 / λ1 ， S1 ， S2 ， S3 4 给出了氯丁橡胶单轴疲劳的 Haigh 曲线，式( 4 ) 中， λ1 ， λ2 ， λ3 为主拉伸率，其中横轴代，。，。 4 为应力张量分量 θ 为裂纹方向角文中通过对天然表平均应力纵轴代表应力幅值图显示，以Ｒ比 0． 2 为界限，变幅值以及不橡胶试柱和丁苯橡胶试柱在恒定幅值、分成两个区域。当Ｒ＞ 0 ． 2 时，疲劳寿命同Ｒ比的载荷条件下的拉伸、扭转、拉扭疲劳实验验证随着Ｒ比的增加而增加，当Ｒ＜ 0． 2 时则相反，文中推了上述疲劳参量预测结果的准确性。测这可能是由于应变结晶现象导致的。本文还利用扫 2． 1． 3 基于能量的疲劳损伤参量描电镜对单轴拉伸Ｒ比为 0． 2 条件下的断裂面进行观目前基于能量的疲劳损伤参量主要有应变能密，察，发现了图 5 所示“舌样结构 ” 而未在任何多轴实度、开裂应变能密度及耗散能密度。验中的断裂面上发现此现象。应变能密度参量易于获取，在橡胶疲劳寿命计算方面应用广泛。但应变能密度对多轴载荷条件下橡胶［25 ］的疲劳寿命预测结果较差。Ｒoberts 和 Benzies 及［26 ］ Jankovich 等发现在相同应变能密度的条件下，天然橡胶的等双轴拉伸疲劳寿命是简单拉伸疲劳寿命的 5 倍，丁苯橡胶的等双轴拉伸疲劳寿命是简单拉伸疲劳寿命的 17 倍，这与以最大主应变为基准的结果相反。 Mars 等［27-32］在 2001 年提出开裂应变针对这一问题，能密度的概念，并应用此概念对橡胶的单轴、多轴疲劳［38 ］图 4 氯丁橡胶拉伸 Haigh 曲线问题进行研究。 Fig 4 Tension haigh diagram of chloroprene rubber［38］ d W = r σ·d ε r ( 5)

橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１５)１８Ｇ１８００１Ｇ０８橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展∗张㊀浩,苏正涛(北京航空材料研究院减振降噪材料与应用技术航空科技重点实验室,北京１０００９５)摘㊀要:㊀从橡胶疲劳性能的计算方法和疲劳机理两方面对其疲劳问题研究进行了回顾.计算方法主要有裂纹萌生方法㊁裂纹扩展方法及人工神经网络计算模型.橡胶疲劳的机理主要从填料对疲劳性能的影响和应变结晶型橡胶疲劳增强机理两个方面进行回顾.最后对橡胶疲劳问题研究的发展趋势进行了展望.关键词:㊀橡胶疲劳;计算方法;机理中图分类号:㊀T B３２４;O３４６．２文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１５．１８．００１１㊀引㊀言橡胶具有高弹性㊁大变形及不可压缩性等特点,常被用来制作轮胎㊁减振器㊁密封件等橡胶制品,在航空航天㊁工业生产等方面应用广泛.橡胶疲劳是使用过程中普遍存在的问题,它是指橡胶在单轴或多轴载荷作用下出现裂纹㊁刚度下降甚至断裂失效的现象.橡胶的疲劳性能对橡胶元件的寿命及可靠性影响显著,准确计算橡胶的疲劳寿命具有重要意义.橡胶种类众多,填料㊁加工工艺㊁使用环境等因素均会影响其物理力学性能.同时橡胶元件常在多轴载荷下使用,其应力应变分布较为复杂.这就导致对橡胶疲劳性能的计算以及对其机理的研究非常困难.橡胶的疲劳问题从２０世纪４０年代开始受到关注,经过７０多年的发展,已经出现了多种预测模型,但是目前还没有建立一个统一的能够准确预测橡胶元件疲劳寿命的模型,对橡胶疲劳的机理方面的研究也没有形成一致的结论[１Ｇ６].本文主要对橡胶疲劳性能计算方法及机理方面的研究进行回顾,重点讨论最近１０年的研究工作,并对其未来的发展趋势进行展望.２㊀橡胶疲劳性能计算方法研究目前橡胶疲劳性能的计算方法可分为３类:裂纹萌生方法㊁裂纹扩展方法和人工神经网络模型.裂纹萌生方法以建立疲劳损伤参量与橡胶疲劳寿命的关系为目标;裂纹扩展方法寻找撕裂能与裂纹扩展间的关系.这两种方法经过几十年的发展,已经得到了较为深入的研究.而利用人工神经网络模型预测橡胶疲劳寿命则是近年来出现的方法.从文献报道来看,这种方法有很好的预测结果.２．１㊀裂纹萌生方法裂纹萌生方法是以连续介质力学理论为基础,寻找或构建某一疲劳损伤参量,并建立裂纹萌生寿命与这些参量之间的关系来预测橡胶的疲劳性能.文献中使用的损伤参量可分为:基于应变㊁基于应力㊁基于能量㊁基于构型张量以及临界面法等几种类型.２．１．１㊀基于应变的疲劳损伤参量基于应变的参量可以通过直接测量得到,因此最早被应用于疲劳寿命预测.文献中基于应变的损伤参量主要有主应变㊁对数主应变㊁八面体剪切应变㊁最大剪切应变㊁等效应变幅值等几种参量,如表１所示.近年来,利用应变类的参量作为疲劳损伤参量的研究已经从材料级拓展为构件级,并且开始进行橡胶元件的疲劳寿命优化研究.表１㊀基于应变的疲劳损伤参量T a b l e１F a t i g u e d a m a g e p a r a m e t e r s b a s e do n s t r a i n 疲劳损伤参量文献及发表年份最大格林Ｇ拉格朗日应变K i m(２００４)㊁上官文斌(２０１３,２０１４)最大主应变J i a n c a i Z h a o(２００８)㊁L i(２００９)㊁黄友剑(２０１１)八面体剪切应变R o(１９８９)最大剪切应变R o(１９８９)最大对数主应变黄友剑(２００６)等效应变幅值上官文斌(２０１３,２０１４)㊀㊀基于应变的损伤参量对单轴载荷下的橡胶疲劳预测结果较好.K i m等[７]首先利用有限元方法和实验方法建立了哑铃型橡胶部件的最大格林Ｇ拉格朗日应变与其疲劳寿命间的幂函数关系εG L,m a x＝４．９８９N f()－０．１１５(１)㊀㊀式(１)中,εG L,m a x为最大格林Ｇ拉格朗日应变,N f为循环周期.接着利用式(１)预测了单轴拉伸条件下橡胶支撑部件的疲劳寿命,预测结果与实验结果在４倍分散因子之内,如图１所示.图中横轴代表实验结果,纵轴代表预测结果.圆型点和方形点分别代表不同的平均应力.研究还表明利用最大格林Ｇ拉格朗日应变１００８１张㊀浩等:橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展∗基金项目:国防基础科研计划资助项目(A０５２０１３１００２)收到初稿日期:２０１４Ｇ０９Ｇ１５收到修改稿日期:２０１５Ｇ０２Ｇ２６通讯作者:张㊀浩,EＧm a i l:e n j o y i n g a l i v e＠g m a i l．c o m 作者简介:张㊀浩㊀(１９８５－),男,河北保定人,在站博士后,从事橡胶疲劳仿真㊁噪声振动控制研究.作为损伤参量的预测结果要优于最大应变能密度的预测结果.K i m 等[７]给出的橡胶构件的疲劳寿命预测方法被研究人员广泛采用.如L i 等[８]采用最大全主应变㊁黄友剑等[９]采用主应变㊁上官文斌等采用等效应变幅值等均利用类似的方法预测橡胶构件的单轴疲劳性能,并得到较好的结果.图１㊀最大格林Ｇ拉格朗日应变作为损伤参量的预测结果与实验结果的关系[７]F i g １C o r r e l a t i o nb e t w e e n e x pe r i m e n t a l a n d p r e d i c t e df a t ig u e l i v e so f e n g i n em o u n t su s i n g ma x i m u m G r e e n ＧL a g r a n ge s t r a i n p a r a m e t e r [７]应变类疲劳损伤参量与橡胶多轴疲劳寿命相关性较小,R o [１０]使用八面体剪切应变及最大剪切应变等损伤参量对不同加载条件下的疲劳寿命数据进行拟合分析发现,这些参量均不能把简单拉伸和等双轴拉伸数据统一起来.上官文斌等[１１Ｇ１３]提出了等效应变幅值的寿命模型εe q ＝εa ＋ηεm １＋η(２)㊀㊀式(２)中,εe q 为应变比(即R 比:最小应变与最大应变之比,R ＝εm i nεm a x)为零时的等效应变均值,εa ,εm 分别为任意工况的应变幅值和应变均值,η为材料常数.此模型可以将任意工况下橡胶试柱的疲劳寿命与R 比为零的疲劳寿命进行等效,可较好地改善R ＜０载荷条件下以应变幅值为损伤参量的寿命模型的预测结果,如图２所示.图中横轴代表实测寿命,纵轴代表预测寿命.实心方框㊁实心三角和空心圆圈分别代表R ＝０,R ＜０,R ＞０的情况.图中可以看出R ＜０载荷条件下预测寿命均分布在实测寿命两倍分散因子之内;R ＞０载荷条件下,预测结果较为保守,预测寿命均小于实测寿命.上官文斌等[１４Ｇ１５]指出文献中采用了各种以主应变㊁切应变㊁应变能密度为基础的疲劳损伤参量,但是均未说明采取这些量作为损伤参量的原因,也未指出其使用条件.上官文斌利用多个疲劳损伤参量对哑铃型试片的单轴拉伸实验结果进行拟合,发现上述这些损伤参量的拟合结果与实验结果的相关系数均在０．９５以上,其中格林Ｇ拉格朗日主应变的相关性系数最高,这一结论与K i m 等[７]给出的结果吻合.王文涛等[１６]对比了对数主应变㊁应变能密度和柯西主应力为疲劳评价参数的预测结果,指出对数主应变和应变能密度的预测结果相对较好,而柯西主应力的结果较差.图２㊀基于R ＜０疲劳实验数据建立以等效应变幅值为损伤参量的寿命模型预测的寿命与实测寿命对比[１１]F i g ２C o r r e l a t i o nb e t w e e n e x pe r i m e n t a l a n d p r e d i c t e df a t ig u e l i v e s p r e d i c t e d u s i n g e qu i v a l e n t s t r a i n a m p l i t u d eu n d e r R ＜０l o a d i n g[１１]基于应变的疲劳损伤参量在橡胶单轴疲劳性能优化方面也得到较好的结果.Z h a oJ i a n c a i 等[１７]对橡胶衬垫的应变分布进行了有限元分析,以降低结构中的最大应变为目标对结构进行改进,实验测得改进后的衬垫的疲劳寿命是原来的５．６倍.黄友剑等[１８Ｇ１９]使用最大对数主应变作为疲劳失效判据,由材料的疲劳寿命方程,得到预压缩量对橡胶球铰疲劳寿命的影响规律,如图３所示.横轴为预压缩量,纵轴为疲劳寿命,仿真计算结果与实验结果有相同的变化趋势.图３㊀球铰径向疲劳寿命与预压缩量的关系曲线[１９]F i g ３F a t i g u e l i f e o f r u b b e r b u s h i n g v e r s u s r a d i a l pr e Ｇc o m pr e s s i o n [１９]基于应变的疲劳损伤参量易于获取,便于工程应用,能较好的预测单轴载荷条件下橡胶材料和简单橡胶构件的疲劳寿命.但是无法准确描述多轴载荷下的橡胶的疲劳性能.２．１．２㊀基于应力的疲劳损伤参量橡胶中应力分布复杂,基于应力的参量较难获取,基于应力的疲劳损伤参量研究也较少.表２给出了文献中较常用的基于应力的疲劳损伤参量.２００８１２０１５年第１８期(４６)卷表２㊀基于应力的疲劳损伤参量T a b l e２F a t i g u e d a m a g e p a r a m e t e r sb a s e do n s t r e s s 疲劳损伤参量文献最大柯西主应力A b r a h a m(２００５)等效应力范围R．K．L u o(２００６)㊁丁智平(２０１４)等效应力G．A y o u b(２０１１,２０１２)㊀㊀A b r a h a m等[２０]研究表明,当最大柯西主应力水平为某一常数值时,最小应力若恒为正,则可提高疲劳寿命.文中同时指出最大柯西主应力不能单独应用于多轴疲劳寿命预测.R．K．L u o等[２１]利用有限元计算得到橡胶减振器的等效应力范围,如式(３)所示,结合SＧN曲线,预测减振器的疲劳寿命.σf＝σ２１＋Aσ２２＋Bσ２３(３)㊀㊀式(３)中,σ１＞０σ１ȡσ２ȡσ３,－１＜Aɤ１,－１＜B ɤ１,σ１,σ２,σ３分别为３个主应力的范围.丁智平等[２２]以式所示等效应力范围为疲劳损伤参量,利用有限元仿真分析了疲劳载荷工况下球铰危险点的等效应力范围,仿真预测结果与实测结果相符.G．A y o u b 等[２３Ｇ２４]将连续损伤模型与开裂应变能密度的方法结合起来,给出了一个等效应力作为疲劳参量,如式(４)所示S e q＝１c o s２θ＋B－２s i n２θ()ˑS２１λ１c o s２θ∂S１/∂λ１＋S２２Bλ１s i n２θ∂S２/∂λ２＋－S３S２B３λ４１s i n２θ∂S３/∂λ３æèçöø÷(４)式(４)中,B＝λ２/λ１,λ１,λ２,λ３为主拉伸率,S１,S２,S３为应力张量分量,θ为裂纹方向角.文中通过对天然橡胶试柱和丁苯橡胶试柱在恒定幅值㊁变幅值以及不同R比的载荷条件下的拉伸㊁扭转㊁拉扭疲劳实验验证了上述疲劳参量预测结果的准确性.２．１．３㊀基于能量的疲劳损伤参量目前基于能量的疲劳损伤参量主要有应变能密度㊁开裂应变能密度及耗散能密度.应变能密度参量易于获取,在橡胶疲劳寿命计算方面应用广泛.但应变能密度对多轴载荷条件下橡胶的疲劳寿命预测结果较差.R o b e r t s和B e n z i e s[２５]及J a n k o v i c h[２６]等发现在相同应变能密度的条件下,天然橡胶的等双轴拉伸疲劳寿命是简单拉伸疲劳寿命的５倍,丁苯橡胶的等双轴拉伸疲劳寿命是简单拉伸疲劳寿命的１７倍,这与以最大主应变为基准的结果相反.针对这一问题,M a r s等[２７Ｇ３２]在２００１年提出开裂应变能密度的概念,并应用此概念对橡胶的单轴㊁多轴疲劳问题进行研究.d W＝r⇀σ dεr⇀(５)㊀㊀式(５)中,r⇀代表所关心面上的单位法向量,σ为应力张量,dε为应变增量张量.开裂应变能代表在裂纹扩展面上消耗的应变能.A．Z i n e等[３３Ｇ３４]对比了开裂能密度和应变能密度作为损伤参量预测结果的准确性,结果显示对于单轴拉伸和剪切疲劳,开裂能密度更适宜作为损伤参量,但同时也指出需要开展更多实验进行验证.H a r b o u r[３５Ｇ３７]使用应变能密度和开裂应变能密度作为损伤参量预测在不同振幅㊁多轴载荷条件下N R和S B R的疲劳寿命.J e a nＧL o u i sP o i s s o n等[３８]对氯丁橡胶哑铃型试柱进行了拉伸及拉扭疲劳实验.拉扭实验进行了拉伸和扭转３个不同的相位差的情况.文中分别使用第一主应力㊁应变能密度以及耗散能密度作为疲劳损伤参量.计算结果表明,使用耗散能密度作为疲劳参量得到的结果与实验结果的相关性最好.耗散能密度可以无需考虑加载路径因素,从而能把实验结果统一起来.图４给出了氯丁橡胶单轴疲劳的H a i g h曲线,其中横轴代表平均应力,纵轴代表应力幅值.图４显示,以R 比０．２为界限,分成两个区域.当R＞０．２时,疲劳寿命随着R比的增加而增加,当R＜０．２时则相反,文中推测这可能是由于应变结晶现象导致的.本文还利用扫描电镜对单轴拉伸R比为０．２条件下的断裂面进行观察,发现了图５所示舌样结构 ,而未在任何多轴实验中的断裂面上发现此现象.图４㊀氯丁橡胶拉伸H a i g h曲线[３８]F i g４T e n s i o nh a i g hd i a g r a mo f c h l o r o p r e n e r u b b e r[３８]图５㊀单轴拉伸R比为０．２的扫描电镜照片[３８] F i g５S E M m i c r o p h o t o g r a p hＧf a t i g u e t o n g u e s o b s e r v e do nf a t i g u e z o n e(t e n s i o n l o a d i n g,RＧr a t i o＝０．２)[３８]２．１．４㊀临界面法临界面法在金属疲劳性能预测方面应用广泛,近年来也开始应用于橡胶疲劳性能的计算.S a i n t i e r 等[３９Ｇ４０]建立了两个用于评价非比例㊁多轴载荷工况条３００８１张㊀浩等:橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展件下哑铃型橡胶试柱的疲劳评价准则:基于C a u c h y应力张量的一㊁二阶应力不变量得到的等效应力,以及基于临界面概念建立的等效应力的计算方法.后者综合考虑了材料的疲劳效果以及应变结晶型橡胶引起的疲劳增强效应:通过计算作用在临界面上的最大正应力得到材料的疲劳性能,而利用一个载荷周期内临界面上的最小结晶水平确定了材料的疲劳增强效应.但是这种方法需要得到材料在承受载荷时的应力随时间的变化,因此参数较难获取.Y．W a n g等[４１]对空心哑铃型试柱的在拉伸和扭转双轴载荷作用下的疲劳性能进行了实验研究,并使用多种疲劳损伤参量以及在金属疲劳计算中常使用的基于临界面法的模型对其进行预测,其预测结果均在两倍分散因子之内.２．１．５㊀基于构型张量的疲劳损伤参量A n d r i y a n a等[４２Ｇ４４]指出,基于构型应力张量的方法较为全面的考虑了橡胶的整个承载变形过程,能更好地预测橡胶疲劳的趋势,并对构型应力张量方法和临界面法进行了对比研究.结果表明,两种方法均能较好的预测橡胶的疲劳寿命,但对于扭转状态占主要地位的载荷条件,基于构型应力张量的预测结果略优于临界面法的预测结果.２．１．６㊀小结近年来,基于应变和应变能的疲劳损伤参量被越来越多地应用于橡胶构件的疲劳寿命预测.利用橡胶试片或试柱的疲劳实验结果,建立疲劳损伤参量与疲劳寿命的关系,然后利用有限元方法计算橡胶构件相应的应变分布,结合上述关系预测构件的疲劳寿命.虽然文献报道中的计算结果都符合得较好,但是很少有文献对各种疲劳损伤参量与其疲劳寿命的关系式的适用范围,进行详细的说明和验证.开裂应变能密度㊁临界面法和基于构型张量的方法使近年来才发展起来的新方法,能较好的描述多轴载荷条件下的橡胶疲劳性能.但如何利用这些方法对多轴载荷条件下橡胶构件的疲劳寿命进行预测还需要进一步研究.２．２㊀裂纹扩展方法疲劳裂纹扩展方法认为橡胶材料由于其材质本身㊁工艺水平㊁性能要求等原因,其内部不可避免存在一些微小颗粒或微小裂纹.橡胶材料在承载过程中,这些微小颗粒或者微小裂纹的尺寸会随着载荷次数的增加而增加,并伴随着能量释放以及构件刚度性能的下降.裂纹扩展方法的基本思想就是建立裂纹扩展引起的能量释放与裂纹尺寸的关系,见式(６)d cd n＝f T()(６)㊀㊀式(６)中,c为裂纹长度,n为疲劳周期数.实验表明式(６)一般为幂函数关系[４５].其中T为撕裂能T＝－∂U∂A(７)㊀㊀式(７)中,U为弹性应变能,A为裂纹的断裂表面积.n＝ʏc２c１１f T()d c(８)㊀㊀式(８)中,n为裂纹长度从c１扩展到c２所需要的周期数.P．M．S c h u b e l等[４５]对某种轮胎橡胶的疲劳行为进行了实验研究.结果表明,在位移控制条件下,载荷会随着裂纹的增长而降低;载荷最大值的降低幅度要大于最小值的降低幅度.S a i n t i e r等[３９Ｇ４０,４６]在橡胶多轴疲劳研究中采用有限元分析方法计算临界面,预测了裂纹扩展的方向,得出无论对于单轴加载还是多轴加载,裂纹方位主要受制于最大主应力的结论.戴永谦等[４７]对发动机悬置进行的有限元分析表明:在垂直和水平双轴载荷作用下,结构应力的最大值区域主要集中在橡胶和钢板交界面的边缘处.而疲劳裂纹最初会出现在此处,最终的断裂面是通过橡胶中心的斜面. J．B．L eC a m等[４８Ｇ４９]研究了炭黑填充天然橡胶制成的哑铃型试柱在单轴拉压条件下产生的疲劳裂纹形态,对其破坏形态进行分类,如图６所示.图中横轴为应变均值,纵轴为应变幅值.从图６可以看出,试柱疲劳裂纹的形态与R比有很大关系.由于R比的不同,导致橡胶材料在实验过程中会出现不同程度的应变结晶,对于R小于零的拉压疲劳实验,试柱始终从中央处断裂,而对于最大应变值和最小应变值均较大时,裂纹会出现分叉的现象,试柱可能会在橡胶与金属的粘接面附近破坏,也可能在试柱中央破坏.图６㊀哑铃型橡胶试柱单轴疲劳破坏的破坏类型与R 比的关系[４９]F i g６F a t i g u ed a m a g ec a r t o g r a p h y i na p s e u d oh a i g hd i a g r a mi nte r m so ft h e m e a na n dt h ea m p l iＧt u d e o f t h en o m i n a l s t r a i n[４９]丁智平等[５０]综合应用有限元结构分析方法㊁橡胶材料等效应力计算方法(见式(３))和橡胶单侧切口拉伸试样拉伸实验数据,提出橡胶弹性减振元件撕裂能范围的计算方法,从而将弹性减振元件在复杂应力状态下的疲劳寿命问题转化为单向应力状态下橡胶材料４００８１２０１５年第１８期(４６)卷的疲劳寿命问题.本文利用撕裂能范围作为损伤参量对锥形橡胶弹簧的寿命预测结果是实验疲劳寿命的１．３３倍.张平豪等[５１]应用非线性有限元方法对橡胶Ｇ金属环在径向位移载荷作用下的界面裂纹与撕裂能的关系进行了计算,并利用撕裂能分析了裂纹出现位置及扩展方向.结果表明,在构件的被挤压端,撕裂能为负值,不可能出现裂纹扩展,而在被拉伸端,则有可能出现,裂纹扩展最有可能沿着圆周方向.图７给出了沿圆周方向和沿轴向方向撕裂能与裂纹尺寸的关系.图７㊀界面上撕裂能与裂纹尺寸的关系[５１]F i g ７R e l a t i o n s h i p b e t w e e nt e a r i n g e n e r g y an dc r a c k l e n gt h [５１]S a i n t i e r 等[５２]指出在单轴拉伸条件下,在R 比大于零时,天然橡胶由于应变结晶现象,使裂纹尖端表现出很强的各向异性,因而裂纹在扩展过程中出现二次裂纹和裂纹分叉等现象,如图８所示.图８(a )和(b )分别为R 比为－０．３和４．２的裂纹扩展形态.这种现象导致了裂纹扩展所需的撕裂能增加,从而提高了橡胶的抗疲劳撕裂性能.２．３㊀人工神经网络模型人工神经网络模型是应用一种类似于大脑神经突触连接的结构进行信息处理的数学模型,具有非线性㊁自适应㊁自学习等特点.人工神经网络模型在信息处理㊁工业控制㊁故障诊断㊁模式识别等方面具有广泛应用.近年来也开始应用于材料胶配方调整㊁建立材料配方与其物理性质的关系[５３]等方面.K e l u X i a n g 等[５４]使用B P 人工神经网络模型预测橡胶的拉伸疲劳寿命.本文以橡胶的１００％伸长应力㊁拉伸强度㊁扯断伸长率及损耗角等属性作为输入向量,以拉伸疲劳寿命作为输出向量.利用２３个样本对模型进行训练,训练完成的模型预测结果如图９所示.图中横轴代表不同的样本,纵轴代表疲劳寿命.黑色填充条代表实验结果,斜线填充条代表预测结果.图中可看出预测结果与实验结果符合得很好,预测准确率达到９７．３％,通过灵敏度分析,发现１００％伸长引力对橡胶的疲劳性能影响最大.但人工神经网络模型属于黑盒系统,并没有明确的物理内涵,对深入理解橡胶疲劳机理没有帮助.图８㊀不同应变比条件下的裂纹扩展形态[５２]F i g ８C r a c k p a t hu n d e r r e l a x i n g a n d n o n Ｇr e l a x i n g co n Ｇd i t i o n si n a p l a n e p e r pe n d i c u l a rt ot h ec r a c k p r o p a ga t i o n p l a n e [５２]图９㊀B P Ｇ人工神经网络的预测结构与实验结果对比[５４]F i g ９Pr e d i c t i o n r e s u l t s o fB P ＧA N N [５４]３㊀橡胶疲劳机理研究近年来对橡胶疲劳机理的研究主要集中在填料对疲劳性能的影响和应变结晶型橡胶疲劳增强机理两个方面.在填料对疲劳性能的影响方面:S ．R．R yu 等[５５]发现在氯丁橡胶中添加短纤维后,其拉伸性能会提高的同时可以降低其温度增加量.王翠玲等[５６]指出提高硫化剂含量可提高橡胶的抗疲劳性能(即提高抗裂纹萌生性能),降低硫化剂含量可提高其抗疲劳裂纹扩展性能(即提高抗裂纹扩展性能).Y i j i n g Ni e 等[５７]发现在天然橡胶中添加尺寸较小的N ３３０炭黑后的撕裂能要高于尺寸较大的N ７７０,因此其疲劳性能也较好.关兵峰等[５８]提出了一种基于炭黑分散程度对橡胶疲劳５００８１张㊀浩等:橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展寿命影响的橡胶疲劳寿命破坏模型.该模型认为分子链能够在炭黑表面滑动,形成一种由炭黑构成节点的网络结构,该网络结构可以均匀地分布应力,从而达到补强的目的.当橡胶整体受力时,橡胶本身的缺陷部位产生断链,若周围填料处于均匀分布状态,则由分子链断裂产生的大分子自由基能与邻近的表面活性极大的炭黑结合,继续承载应力.若周围填料不均匀,成附聚体状态,则断裂的大分子链末端与其结合后在应力作用下会发生附聚体的解聚,从而不能继续承载应力,开始出现疲劳失效.此模型能够定性地解释炭黑分散程度对疲劳寿命的影响方式.在应变结晶型橡胶疲劳增强机理方面:S．B e u r r o tＧB o r g a r i n o等[５９]利用X射线衍射观察不同载荷比下天然橡胶的应变结晶效应.观察表明应变峰值时单位体积内结晶的数量为常量,而当最小应变小于结晶消失对应的应变时,其结晶度会随着循环增加而下降,反之则会上升.文中推断产生这种现象的原因为最小应变低于结晶消失对应的应变时,其结晶率大致保持不变,但是结晶的体积会减小,如图１０所示.图中λ为拉伸比,λm i n为最小载荷对应的拉伸比,λC为橡胶结晶对应的拉伸比,λM为结晶消失对应的拉伸比.图１０㊀橡胶结晶随载荷比变化示意图[５９]F i g１０S c e n a r i oo fc r y s t a l l i z a t i o nu n d e rd i f f e r e n t f aＧt i g u e l o a d i n g c o n d i t i o n s[５９]４㊀结㊀语自２０００年以来,橡胶疲劳性能的计算方法和机理研究已经有了很大的进步.针对橡胶疲劳性能的计算也从仅以试片㊁试柱为研究对象拓展到一些结构较为简单的橡胶构件,对于施加的载荷条件也从单轴㊁恒定幅值载荷条件拓展到多轴㊁变幅载荷条件.在此基础上还推出了商用仿真软件.但是这些方法的预测结果还不能完全令人满意.今后的研究可以归结为以下几个方面:(１)㊀橡胶疲劳问题的机理,尤其是多轴载荷条件下的橡胶构件疲劳问题.多轴载荷条件下,橡胶的疲劳性能与单轴条件下的具有显著的区别,其产生的原因尚需要对橡胶疲劳问题的机理进行深入的研究. (２)㊀多轴㊁变幅载荷条件下橡胶构件的疲劳性能计算.橡胶构件在实际应用过程中大多承受多轴㊁变幅载荷,这种条件下橡胶构件疲劳性能的计算还没有完全解决.(３)㊀发展橡胶疲劳性能的优化方法.对橡胶构件的疲劳性能进行优化,在满足其基本性能要求的前提下,尽量延长其疲劳寿命是对橡胶疲劳问题进行研究的最终目的.参考文献:[１]㊀L i u Y u y a n,W a nZ h i m i n．P r o g r e s so nf a t i g u e p r o p e r t i e s o f r u b b e r[J]．C h i n aS y n t h e t i cR u b b e r I n d u s t r y,２０００,２３(２):１２８Ｇ１３１．[２]㊀M a r sW V,F a t e m i A．A l i t e r a t u r e s u r v e y o n f a t i g u e a n a lＧy s i sa p p r o a c h e sf o rr u b b e r[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e,２００２,２４:９４９Ｇ９６１．[３]㊀M a r s W V．F a c t o r t h a t a f f e c t t h e f a t i g u e l i f eo f r u b b e r:A l i t e r a t u r e s u r v e y[J]．R u b b e rC h e m i s t r y a n d T e c h n o l oＧg y,２００４,７６:３９１Ｇ４１２．[４]㊀D a iY o n g q i a n,S o n g X i g e n g,X u eD o n g x i n,e t a l．A p p l iＧc a t i o no f c r a c k g r o w t h a p p r o a c h t o t h e f a t i g u e l i f e a n a l y s i so f r u b b e r[J]．J o u r n a l o fV i b r a t i o na n dS h o c k,２００５,２４(４):１１５Ｇ１１８．[５]㊀S u nX i a r o n g,L iF u p i n g,J i a n g H o n g g a n g．S t u d y o nf aＧt i g u e p r o p e r t i e so fn a t u r a lr u b b e r[J]．S p e c i a lP u r p o s eR u b b e rP r o d u c t s,２００７,２８(５):５３Ｇ５６．[６]㊀S u nX u e h o n g,L i uC o n g w e i．A n a l y s i so f t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s o f t h e f a t ig u e p e r f o r m a n c e o f r u b b e rm a t e r i a l s[J]．S p e c i a l P u r p o s eR u b b e rP r o d u c t s,２０１０,３１(３):５２Ｇ５６．[７]㊀K i m W D,L e eHJ,K i mJY,e t a l．F a t i g u e l i f e e s t i m aＧt i o no f a ne n g i n e r u b b e rm o u n t[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fF a t i g u e,２００４,２６:５５３Ｇ５６０．[８]㊀L iQ i a n,Z h a o J i a n c a i,Z h a oB o．F a t i g u e l i f e p r e d i c t i o no fa r ub b e rm o u n tb a s e do nt e s to fm a t e r i a l p r o p e r t i e sa n df i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s[J]．E ng i n e e r i n g F a i l u r eA n a l y s i s,２００９,１６(７):２３０４Ｇ２３１０．[９]㊀L i uJ i a n x u n,H u a n g Y o u j i a n,L i u B a i b i n g,e ta l．R eＧs e a r c ho n f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o nm e t h o do f r u b b e r c o m p oＧn e n t s[J]．E l e c t r i cL o c o m o t i v e s&M a s sT r a n s i tV e h i c l e s,２０１１,３４(３):１２Ｇ１４．[１０]㊀R oHS．M o d e l i n g a n d i n t e r p r e t a t i o n o f f a t i g u e f a i l u r e i nＧi t i a t i o n i nr u b b e rr e l a t e dt o p n e u m a t i ct i r e s[D]．W e s tL a y a y e t t e:P u r d u eU n i v e r s i t y,１９８９．[１１]㊀S h a n g g u a n W e n b i n,W a n g X i a o l i,Y eB i j u n,e t a l．E xＧp e r i m e n t a n d f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o no f f i l l e dn a t u r a l r u bＧb e r e m p h a s i z i n g o n t h e e f f ec t o f s t r a i nr a t i o[J]．J o u r n a l６００８１２０１５年第１８期(４６)卷o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１３,４９(８):４９Ｇ５６．[１２]㊀W a n g X i a o l i,S h a n g g u a n W e n b i n,R a k h e j aS,e ta l．A m e t h o d t od e v e l o p au n i f i e d f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o nm o d e lf o r f i l l e dn a t u r a lr u b b e r su n d e ru n i a x i a l l o a d s[J]．F aＧt i g u e&F r a c t u r e o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s&S t r u cＧt u r e s,２０１４,３７:５０Ｇ６１．[１３]㊀S h a n g g u a n W e n b i n,Y a oB i n h u i,L iW u c h e n g,e t a l．F aＧt i g u e l i f e p r e d i c t i o nf o ran a t u r a lr u b b e ra n t iＧv i b r a t i o nc o m p o n e n tw i t hm e a n s t r a i n e f f e c t[J]．J o u r n a l o fV i b r aＧt i o na n dS h o c k,２０１３,３２(１):１Ｇ４．[１４]㊀W a n g X i a o l i,S h a n g g u a n W e n b i n,L i uT a i k a i,e t a l．E xＧp e r i m e n t o f u n i a x i a l t e n s i o nf a t i g u ea n d m o d e l i n g o f f aＧt i g u e l i f ef o rf i l l e dn a t u r a l r u b b e r s[J]．J o u r n a lo f M eＧc h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１３,４９(１４):６５Ｇ７３．[１５]㊀S h a n g g u a nW e n b i n,W a n g X i a o l i,D e n g J i a n x i a n g,e t a l．E x p e r i m e n t a la n d m o d e l i n g o fu n i a x i a lt e n s i o nf a t i g u ep e r f o r m a n c e f o r f i l l e dn a t u r a l r u b b e r[J]．M a t e r i a l sa n dD e s i g n,２０１４,５８:６５Ｇ７３．[１６]㊀W a n g W e n t a o,X i a oS u h u a,H u a n g J i a n l o n g,e t a l．I nＧv e s t i g a t i o no n r u b b e r i s o l a t o r＇s f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o nu nＧd e ru n i a x i a lt e n s i l el o a d[J]．J o u r n a lo f V i b r a t i o na n dS h o c k,２０１４,３３(５):２４Ｇ３０．[１７]㊀Z h a o J i a n c a i,L i aQ i a n,S h e nX i a o y a n．F i n i t e e l e m e n t aＧn a l y s i s a n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o r i m p r o v i n g t h e f aＧt i g u e l i f e o f r u b b e rm o u n t s[J]．J o u r n a l o fM a c r o m o l e c uＧl a r S c i e n c e:P a r tA,２００８,４５:５４２Ｇ５４７．[１８]㊀R o n g J i g a n g,H u a n g Y o u j i a n,T a n g X i a n h e,e ta l．E f f e c t o f p r eＧc o m p r e s s i o n o n c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c eo f r u b b e r b u s h i n g[J]．S p e c i a l P u r p o s eR u b b e r P r o d u c t s,２００６,２７(２):３６Ｇ３９．[１９]㊀Y i nS u x i a n,X i a oS h i w u,H u a n g Y o u j i a n,e t a l．E f f e c t o f p r eＧc o m p r e s s i o no n f a t i g u e l i f eo f r u b b e rb u s h i n g[J]．J o u r n a l o fM e c h a n i c a l S t r e n g t h,２０１２,３４(３):３８４Ｇ３８８．[２０]㊀A b r a h a m F,A l s h u t hT,J e r r a m sS．T h e e f f e c t o fm i n iＧm u ms t e s s a n d s t r e s s a m p l i t u d e o n t h e f a t i g u e l i f e o f n o ns t r a i nc r y s t a l l i z i n g e l a s t o m e r s[J]．M a t e r i a l s&D e s i g n,２００５,２６(３):２３９Ｇ２４５．[２１]㊀L u oR K,W u W X．F a t i g u e f a i l u r ea n a l y s i so f a n t iＧv iＧb r a t i o n r u b b e r s p r i n g[J]．E n g i n e e r i n g F a i l u r eA n a l y s i s,２００６,１３:１１０Ｇ１１６．[２２]㊀D i n g Z h i p i n g,Y a n g R o n g h u a,H u a n g Y o u j i a n,e t a l．AＧn a l y s i s o n t h es t i f f n e s sa n df a t i g u e l i f eo fv a r i a b l es t i f fＧn e s s r u b b e r b u s h i n g[J]．J o u r n a l o fV i b r a t i o n a n dS h o c k,２０１４,３３(２):９９Ｇ１０４．[２３]㊀A y o u bG,N a i tＧA b d e l a z i z M,Z a i r iF,e t a l．Ac o n t i n uＧu m d a m a g em o d e l f o r t h eh i g hＧc y c l e f a t i g u e l i f e p r e d i cＧt i o no f s t y r e n eＧb u t a d i e n e r u b b e r u n d e rm u l t i a x i a l l o a d i n g[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s,２０１１,４８:２４５８Ｇ２４６６．[２４]㊀A y o u bG,N aïtＧA b d e l a z i zM,Z aïr i F,e t a l．F a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n o f r u b b e rＧl i k e m a t e r i a l s u n d e r m u l t i a x i a ll o a d i n g u s i n g a c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s a p p r o a c h:e f f e c t s o f t w oＧb l o c k s l o a d i n g a n dRr a t i o[J]．M e c h a n i c so fM a t e r i a l s,２０１２,５２:８７Ｇ１０２．[２５]㊀R o b e r t sBJ,B e n z i e s JB．R e a l a t i o n s h i p b e t w e e nu n i a x i a la n de q u ib i a x i a lf a t i g u ei n g u m a n dc a r b o nＧb l a c kＧf i l l e dv u l c a n i z a t e s[J]．P l a s t i c s a n dR u b b e r:M a t e r i a l s a n dA pＧp l i c a t i o n s,１９７８,(３):４９Ｇ５４．[２６]㊀J a n k o v i c hE,L e b l a n cF,D u r a n d M,e t a l．Af i n i t ee l eＧm e n tm e t h o df o rt h ea n a l y s i so fr u b b e r p a r t s,e x p e r iＧm e n t a l a n da n a l y t i c a l a s s e s s m e n t[J]．C o m p u t e r sS t r u cＧt u r e s,１９８１,１４(５Ｇ６):３８５Ｇ３９１．[２７]㊀M a r s W V．M u l t i a x i a l f a t i g u eo fr u b b e r[D]．T o l e d o: T h eU n i v e r s i t y o fT o l e d o,２００１．[２８]㊀M a r s W V,F a t e m iA．F a t i g u ec r a c k n u c l e a t i o na n dg r o w t h i n f i l l e d n a t u r a l r u b b e r[J]．F a t i g u e&F r a c t u r e o fE n g i n e e r i n g M a t e r i a l s&S t r u c t u r e s,２００３,２６(９):７７９Ｇ７８９．[２９]㊀M a r s W V．E x e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no fm u l t i a x i a l f aＧt i g u e i n r u b b e r[C]//L i s b o n:６t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e rＧe n c e o nB i a x i a l/M u l t i a x i a l F a t i g u e a n dF r a c t u r e,２００１．[３０]㊀M a r s W V,F a t e m iA．O b s e r v a t i o n sof t h ec o n s t i t u t i v e r e s p o n s e a n d c h a r a c t e r i z a t i o no f f i l l e dn a t u r a l r u b b e r u nＧd e r m o n o t o n i ca n dc y c l i c m u l t i r a c i a ls t r e s ss t a t e s[J]．J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y,２００４,１２６:１９Ｇ２８．[３１]㊀M a r s W V,F a t e m iA．M u l t i a x i a l s t r e s se f f e c t so nf aＧt i g u eb e h a v i o ro f f i l l e dn a t u r a l r u b b e r[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fF a t i g u e,２００６,２８:５２１Ｇ５２９．[３２]㊀M a r s W V,F a t e m iA．N u c l e a t i o na n d g r o w t ho f s m a l lf a t ig u ec r a c k si nf i l l e dn a t u r a lr u b b e ru n d e r m u l t i a x i a ll o a d i n g[J]．J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e,２００６,４１(２２):７３２４Ｇ７３３２．[３３]㊀Z i n eA,B e n s e d d i q N,A b d e l a z i zM N,e t a l．P r e d i c t i o n o f r u b b e rf a t i g u el i f eu n d e r m u l t i a x i a l l o a d i n g[J]．F aＧt i g u e&F r a c t u r e o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s&S t r u cＧt u r e s,２００６,２９(３):２６７Ｇ２７８．[３４]㊀Z i n eA,B e n s e d d i q N,N a i tA b d e l a z i zM．R u b b e r f a t i g u e l i f eu n d e rm u l t i a x i a l l o a d i n g:n u m e r i c a l a n de x p e r i m e nＧt a l i n v e s t i g a t i o n s[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e,２０１１,３３(１０):１３６０Ｇ１３６８．[３５]㊀H a r b o u r R J,F a t e m iA,M a r s W V．F a t i g u ec r a c kg r o w t ho f f i l l e dr u b b e ru n d e r c o n s t a n t a n dv a r i a b l ea mＧp l i t u d e l o a d i n g c o n d i t i o n s[J]．F a t i g u eF r a c tE n g n g M aＧt e r S t r u c t,２００７,３０:６４０Ｇ６５２．[３６]㊀H a r b o u rRJ,F a t e m iA,M a r s W V．F a t i g u e l i f e a n a l yＧs i s a n d p r e d i c t i o n s f o rN Ra n dS B Ru n d e rv a r i a b l ea mＧp l i t u d e a n dm u l t i a x i a l l o a d i n g c o n d i t i o n s[J]．I n t e r n a t i o nＧa l J o u r n a l o fF a t i g u e,２００８,３０(７):１２３１Ｇ１２４７．[３７]㊀H a rb o u rRJ,F a t e m i A,M a r sW V．C o n s t i t u t i v e b e h a vＧi o r a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s i nN Ra n dS B Ru n d e rv a r i aＧb l e a m p l i t u d e a n dm u l t i a x i a l l o a d i n gc o nd i t i o n s[J]．J o u rＧn a l o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y,２００８,１３０(１):５Ｇ１１．[３８]㊀P o i s s o n JL,L a c r o i xF,M e oS,e t a l．B i a x i a l f a t i g u e b eＧh a v i o ro fa p o l y c h l o r o p r e n e r u b b e r[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fF a t i g u e,２０１１,３３:１１５１Ｇ１１５７．[３９]㊀S a i n t i e rN,C a i l l e t a u d G,P i q u e sR．M u l t i a x i a l f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o nf o ra n a t u r a lr u b b e r[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fF a t i g u e,２００６,２８(５Ｇ６):５３０Ｇ５３９．[４０]㊀S a i n t i e rN,C a i l l e t a u dG,P i q u e sR．C r a c k i n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o nu n d e rm u l t i a x i a l f a g i t u e i nan a t u r a l r u b b e r７００８１张㊀浩等:橡胶疲劳性能计算方法与机理研究进展。

橡胶疲劳失效机理的研究

1 橡胶动态疲劳的研究方法橡胶制品的断裂过程主要分为两个步骤：（ 1）从完整到微小裂纹形成的阶段（如下图的 A 区域），断面上未见到明显的材料缺陷。（ 2）从小裂纹到裂纹延展直至断裂的阶段（如下图的 B 区域）。探究橡胶材料的疲劳寿命也应当从这两个阶段展开，针对前者的分析方法被称为裂纹萌生法，后者则被称为裂纹拓展法。在实际研究中，这两种阶段的分界点往往比较模糊，在一般情况下，计算橡胶疲劳寿命、当橡胶制品产生明显磨痕、缺口或结构性断裂时运用裂纹拓展法。裂纹萌生法则运用于橡胶无明显缺口或有细小磨损的情况。
科技风 2019 年 8 月
机械化工 DOI： 10．19392 / j．cnki．1671-7341．201922121
橡胶疲劳失效机理的研究
任欣
华晨宝马汽车有限公司辽宁沈阳 110000
摘要：橡胶作为一种弹性高、造价低廉的材料，在各个行业都被广泛运用，尤其是在工业制造和国防事业中。在的实际使用过程中，橡胶制品（如橡胶减震器、橡胶手套、橡胶密封圈等），通常在周期性作业下超负荷工作，此时如果橡胶出现了疲劳、断裂的现象，就会损坏机械、导致事故和重大经济损失的发生。由此可见，在橡胶产品开发初期探究分析橡胶密封圈的失效成因，改进橡胶制品的生产流程，保证橡胶材料的质量和使用寿命是保障产品质量、提升企业生产利润的重要前提。
143
橡胶的不同断裂情况 2 影响橡胶动态疲劳寿命的因素 2．1 交联网络橡胶的交联网络能够在一定程度上影响橡胶的性能和疲劳状况，硫化反应对橡胶疲劳寿命有重要影响，硫化机和硫化反应可以提高橡胶的耐疲劳性，延长橡胶的使用寿命。橡胶制品生产商应该注意使用适配橡胶材料的硫化剂，这同样能够影响橡胶的老化速率。 2．2 应力-应变条件由于橡胶在使用过程中受外界载荷的作用，因而橡胶对于应力-应变的敏感度很高，其中应力和应变幅度是最重要的因素。研究显示，最小应变与载荷比Ｒ与橡胶寿命成正比，当Ｒ的值较大时，裂纹尖端会产生钝化效应，而钝化效应引起的结晶将会阻碍裂纹的增长。 2．3 环境条件环境是橡胶疲劳分析中的关键要素，尤其是在橡胶高密度作业的情况下，温度、压力以及不同浓度的化学反应物含量会直接影响橡胶材料的力学行为和疲劳状况。

橡胶材料疲劳损伤特性与寿命预测研究

橡胶材料疲劳损伤特性与寿命预测研究随着工业的不断进步和技术的不断革新，橡胶是一个非常重要的材料。

它被广泛应用于工业、医疗、汽车等领域。

然而，长期的使用和疲劳会导致橡胶材料疲劳损伤，甚至失效。

这种失效不仅会给工业生产带来影响，还会导致严重的安全问题。

因此，对橡胶材料的疲劳损伤特性和寿命预测进行研究非常必要。

一、橡胶材料的疲劳损伤特性疲劳损伤通常是材料在受到交变应力的情况下发生的，这种应力会引起材料内部的微观结构变化，进而导致宏观性能下降。

对于橡胶材料来说，弹性和结构是其最基本的性能。

所以，研究橡胶材料的疲劳损伤特性就必须了解其弹性和结构的变化情况。

橡胶材料的弹性特性与其内部结构和成分密切相关。

材料受到外界力的作用后，它的形变会影响其内部化学键，从而影响其物理性质。

当材料经过长期疲劳作用后，它的弹性便会发生变化。

此时，需要考虑材料的温度、湿度、化学环境等因素对其弹性的影响。

此外，还需要考虑它的外观形态对其弹性和结构的影响。

一些几何形状不良的橡胶零件更容易出现疲劳破坏。

对于橡胶材料的结构特性，主要与材料中弹性体和填充物的含量、相互作用以及其分布等因素有关。

一般来说，弹性体含量越高，橡胶材料的弹性越好；填充物含量越高，橡胶材料的硬度越大，但其强度和韧性会相应降低。

因此，需要考虑填充物的种类、粒度、分布等因素对橡胶材料的疲劳损伤特性的影响。

二、橡胶材料寿命预测研究橡胶材料疲劳寿命预测是指通过对橡胶材料的疲劳性能进行分析和测试，预测其在实际应用中的使用寿命。

在实际应用过程中，设计者通常会考虑材料的寿命和性能的平衡，以提高材料的使用效率。

因此，对于橡胶材料的寿命预测研究是非常必要的。

针对不同应用环境下的橡胶材料，通常考虑以下几个方面：1.受力模式：橡胶材料在不同受力方式下的疲劳寿命是不同的。

受力模式的不同会影响受力状况，从而导致疲劳损伤度和寿命不同。

2.受力频率：受力频率高的橡胶材料疲劳失效的速度快于受力频率低的橡胶材料。

橡胶内胎的疲劳断裂性能研究与评估

橡胶内胎的疲劳断裂性能研究与评估橡胶内胎是汽车轮胎中的重要组成部分，在车辆行驶过程中承受着巨大的压力和负荷。

因此，研究和评估橡胶内胎的疲劳断裂性能对于确保车辆行驶安全至关重要。

本文将探讨橡胶内胎的疲劳断裂性能的研究方法和评估指标。

首先，了解橡胶内胎的疲劳断裂性能需要对其材料特性进行分析。

橡胶作为一种弹性材料，在循环加载下容易发生疲劳断裂。

因此，研究内胎材料的耐疲劳性能是保证其可靠性的关键。

研究人员通常使用拉伸试验和压缩试验来评估内胎材料的疲劳性能。

通过这些试验，可以确定材料的疲劳极限、疲劳寿命和疲劳裂纹扩展速率等指标，从而评估内胎的疲劳断裂风险。

其次，了解橡胶内胎的疲劳断裂性能还需要考虑到不同的工况条件。

内胎在不同的使用环境下会受到不同的力学和热学载荷。

例如，高温环境下的内胎会面临更大的挑战，因为橡胶材料在高温下容易软化和老化。

研究人员通常使用恒定应力、恒定变形或者不同的载荷变化频率来模拟不同的工况，以评估内胎在不同工况下的疲劳断裂性能。

为了更准确地评估橡胶内胎的疲劳断裂性能，研究人员还需要考虑到内胎的结构特性。

内胎通常由多层橡胶和尼龙布层组成，并且存在着不同的接合方式。

因此，研究内胎的结构对于预测其疲劳断裂行为至关重要。

通过使用有限元分析方法，可以模拟内胎受力分布情况，进一步了解内胎的疲劳断裂机制，并且基于断裂机制得到更准确的评估结果。

除了研究橡胶内胎的疲劳断裂性能，评估内胎的疲劳断裂风险也是非常重要的。

为了评估内胎的使用寿命和安全性，研究人员通常采用可靠性理论和数据分析方法。

通过使用统计学和概率分布等方法，可以对内胎的疲劳断裂寿命进行可靠性评估，并且为内胎的维护、更换和修理提供决策支持。

综上所述，橡胶内胎的疲劳断裂性能的研究与评估是保证车辆行驶安全的关键。

研究人员通过分析内胎材料特性，考虑不同的工况条件，了解内胎的结构特性，并采用可靠性评估方法，可以得出准确的疲劳断裂评估结果。

这些研究结果不仅对内胎的设计和制造具有重要意义，也为车辆使用者提供了更安全的选择。

P91钢蠕变—疲劳交互作用下断裂特性研究

P91钢蠕变—疲劳交互作用下断裂特性研究张国栋;薛飞;王兆希;赵彦芬;张路;蒙新明【期刊名称】《机械强度》【年(卷),期】2012(34)6【摘要】在546℃下,对电厂用关键材料P91钢进行应力控制的蠕变—疲劳交互作用下试验。

分别讨论平均应力和应力幅对断裂时间的影响,分析断口形貌与韧窝脱粒成分,断口裂纹金相,获得P91钢蠕变—疲劳交互作用下断裂机制与断裂特性。

研究结果表明,由于微观裂纹的闭合,P91钢蠕变—疲劳交互作用寿命随着下保载的时间增加而增加。

当平均应力远小于应力幅时,试样主要表现为疲劳断裂,当平均应力与应力幅相等时,试样为蠕变疲劳共同作用下的断裂特征,当平均应力远大于应力幅时,断裂特征为蠕变断裂。

通过断口金相分析,试样断口裂纹均为穿晶断裂。

对断口韧窝的脱粒成分研究,脱粒为氧化物。

研究结果为P91钢蠕变—疲劳断裂机制分析提供理论和实验基础。

【总页数】6页(P886-891)【关键词】P91钢;蠕变-疲劳;断口微观形貌;韧窝脱粒;断裂特征【作者】张国栋;薛飞;王兆希;赵彦芬;张路;蒙新明【作者单位】苏州热工研究院;南京工业大学机械与动力工程学院;清华大学材料科学与工程系;清华大学工程力学系【正文语种】中文【中图分类】TG142.71;TG115.57【相关文献】1.P91钢的蠕变-疲劳交互作用研究现状 [J], 纪冬梅;轩福贞;涂善东;姚秀平2.电站锅炉用P91钢蠕变/疲劳交互作用的试验研究 [J], 刘洪杰3.P91钢蠕变-疲劳交互作用应变特征与寿命预测 [J], 张国栋;赵彦芬;薛飞;张路;刘艳;赖云亭4.12Cr1MoV钢主蒸汽管道疲劳蠕变交互作用及断裂模式 [J], 陈国良;杨王玥;束国刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

橡胶材料疲劳寿命影响因素及研究方法综述

*通信联系人（weiyt@tsinghua. edu. cn）
异的柔软性、绝缘性、耐磨性和阻隔性而广泛应用于轮胎、胶管、减震器、密封件、输送带和橡胶坝等制品中。这些橡胶制品常在周期性交变应力下使用，因此橡胶材料的耐疲劳性能往往决定了橡胶制品的使用寿命。传统上，橡胶材料的疲劳研究
1 橡胶材料疲劳寿命的影响因素 1. 1 胶料配方
胶料配方是决定橡胶材料耐疲劳性能的关键因素，一直是橡胶制品研发的重点。在结构、受力条件和使用环境等一定的情况下，橡胶制品的疲劳寿命与胶料配方设计息息相关，尤其是生胶、填料、硫化剂体系和防护体系等的选择对橡胶材料耐疲劳性能影响很大。 1. 1. 1 生胶
胶（NR）和丁苯橡胶（SBR）较差。提高橡胶分子链的不饱和度可提高其耐热氧
老化性能，如 HNBR 的热氧稳定性优于丁腈橡胶（NBR）[2]。生胶的相对分子质量和分子结构对橡胶材料的耐疲劳性能有较大影响，J. Zhao等[3]研究表明相对分子质量较低的SBR具有较好的耐疲劳性能，顺式含量较高的顺丁橡胶（BR）耐疲劳性能较好，原因是应变诱导结晶延迟了疲劳失效。表1为某轮胎胎侧胶配方比较，正常配方试样在屈挠试验中屈挠 1 5 万次时发生裂口，而试验配方试样在屈挠 5 0 万次时仍未出现裂口。可见，在配方中适当增大BR并用比有利于提高胎侧胶的耐疲劳性能。
橡胶的化学微观结构[决定玻璃化温度（Tg）、热氧稳定性和应变诱导结晶[1]等]、相对分子质量及支链、内部杂质以及橡胶并用等都会影响橡胶制品的疲劳寿命。如氟橡胶和氢化丁腈橡胶（HNBR）等特种橡胶的热氧稳定性较好，而天然橡

溶聚丁苯橡胶T2000R动态疲劳性能的研究

剂为常用剂量，１０质量份ＳＢ橡胶为基以０ —ＳＲ
准。ＳＳＲ胶料基本配方为： —ＳＲ（０）氧－ＢＳＢ１０，
态疲劳。橡胶产品的疲劳性能不仅取决于橡胶配方和疲劳条件，同时也取决于循环变形过程中橡胶微观结构和性能的变化。关于天然橡胶（）ＮＲ
ＳＢＴ２０Ｒ）中国石化上海高桥石化 —ｓＲ（ＯＯ，公司；硫黄（５１０目粉）硬脂酸、、氧化锌（均粒径平
２结果与讨论
２１硫化体系对Ｔ００．２０Ｒ硫化胶抗屈挠龟裂性
的影响
０２ｔ、．９ｍ）Ｎ一叔丁基一２ｚ一苯并噻唑次磺酰胺
将先前用于测评乳聚丁苯橡胶（ — ＳＲ）ＥＢ的
５０系对Ｔ００２０Ｒ硫化胶抗屈挠龟裂性的影
响分别如表１和图１示。所
表１采用不同硫化体系的胶料配方
数交联键为单硫交联键和双硫交联键，因而链屈挠性最差，而使得裂纹引发也较快。但是，进单硫
较研究。
用通用实验机（ｎｔｏ０１，照ＡＳＭＩｓｒｎ６２）按Ｔ
Ｄ４２１Ｔ进行拉伸实验。试样为哑铃状Ｃ１ —５
型，２ｍ厚试片上切取。从ｒａ
选择Ｔ００２０ＲＳ—ＳＲ作为橡胶材料，究Ｂ研

橡胶界面的疲劳剥离

橡胶界面的疲劳剥离
刘霞
【期刊名称】《世界橡胶工业》
【年(卷),期】2015(000)005
【摘要】为测试橡胶-橡胶界面在周期负荷下的破坏性，开发了这种疲劳剥离试验。

将该方法所得结果与典型疲劳裂纹增长试验结果进行了比较。

结果表明：这两种疲劳模式的变化趋势相同，在相同裂纹增长速率下，促使裂纹增长的剥离速度比应变能释放速率稍高。

利用该试验计算了丁苯橡胶胶料的疲劳裂纹增长周期和时间依赖性。

尽管周期影响的原因仍不确定，但所得结果与先前的研究相一致。

还研究了硫化期间界面应力的影响，发现疲劳剥离性能与硫化过程中形成的接触面积成正比。

【总页数】5页(P32-36)
【作者】刘霞
【作者单位】西北橡胶塑料研究设计院，陕西咸阳 712023
【正文语种】中文
【中图分类】TQ330.1+6
【相关文献】
1.橡胶夹层/复合材料粘接界面疲劳裂纹扩展行为的研究 [J], 谢基龙;刘志明
2.用于橡胶/金属复合材料中的工业氯化橡胶底胶的阴极剥离 [J], 张洪影;
3.未填充天然橡胶/反式丁戊橡胶共混胶的耐疲劳性能及疲劳破坏机理 [J], 尹镇航;郭建华;刘运春
4.考虑疲劳累积损伤的FRP-混凝土界面剥离模拟 [J], 郭佳泷;应杰;章子华;肖云逸
5.短纤维增强橡胶密封复合材料界面疲劳损伤行为 [J], 宇晓明;张斌;顾伯勤
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第19卷第3期2010年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.19No.3Sept.2010文章编号：1006－0871（2010）03-0064-06橡胶材料疲劳断裂特性研究进展李晓芳1，2，张春亮3（1.大庆油田公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453；2.哈尔滨工业大学力学博士后流动站，哈尔滨150001；3.大庆油田公司采油二厂，黑龙江大庆163414）摘要：由于橡胶材料的动态疲劳特性对保证橡胶制品使用时的安全性和可靠性具有重要意义，综述机械载荷、环境和橡胶配方等因素对橡胶材料疲劳寿命的影响，总结用疲劳裂纹萌生寿命法和基于断裂力学的疲劳裂纹扩展法预测橡胶材料动态疲劳寿命方法的优缺点，并展望这2种方法的发展趋势.关键词：橡胶；疲劳；裂纹萌生；断裂力学；裂纹扩展中图分类号：O346.2；TQ330文献标志码：AResearch advance on rubber material fatigue andfracture characteristicsLI Xiaofang 1，2，ZHANG Chunliang 3（1.Research Institute of Production Eng.，Daqing Oilfield Co.，Daqing Heilongjiang 163453，China ；2.Mechanics Postdoctoral Station ，Harbin Institute of Tech.，Harbin 150001，China ；3.No.2Oil Production Plant ，Daqing Oilfield Co.，Daqing Heilongjiang 163414，China ）Abstract ：Due to the importance of the dynamic fatigue characteristics of rubber materials that ensure the safety and reliability of rubber products in service ，the factors that influence the fatigue life of rubber materials are reviewed ，such as mechanical load ，environment and rubber formulation and so on ；The advantages and disadvantages of fatigue crack nucleation approach and crack growth approach based on fracture mechanics are summarized ，which are usually used to predict fatigue life for rubber.The current development trends of two analysis approaches are described.Key words ：rubber ；fatigue ；crack nucleation ；fracture mechanics ；crack growth收稿日期：2009-10-14修回日期：2010-01-19作者简介：李晓芳（1977—），女，湖北天门人，博士，研究方向为采油机械设计，（E-mail ）lixiaofang226@ 0引言橡胶材料能承受的应变很大且不会导致永久变形与断裂，经过适当配方设计可满足的材料性能要求范围十分广，是振动隔离器、轴承、轮胎、密封件、软管和垫圈等的理想选择材料.橡胶通常适合3种特殊的使用情况：密封、减振和承受负荷，它们几乎都涉及到动态响应.在交变载荷的反复作用下，即使应力远低于断裂强度极限，材料也极易发生疲劳破坏，而疲劳断裂性能往往决定这些制品的疲劳寿命.因此，为保证橡胶制品使用时的安全性和可靠性，研究橡胶材料动态疲劳特性的意义十分重要.1影响橡胶疲劳断裂的因素1.1机械载荷多数情况下，作用在结构或机械上的载荷随时间变化，且反映实际结构的疲劳载荷谱十分复杂.现有文献涉及复杂载荷谱对橡胶材料疲劳寿命影响的研究很少，对疲劳裂纹扩展的大部分研究采用简单的正弦波.为更加准确地模拟特定产品，输入与产品使用条件相关的非正弦波很有必要，但目前鲜有文献报道不同波形对疲劳裂纹增长的影响.［1］最小载荷或平均载荷对疲劳寿命的影响在很大程度上取决于橡胶类型和填料种类.［2］如应变结晶橡胶在一定载荷幅值下，非松弛形变条件下的疲劳寿命比松弛形变下的长，这可能是因为橡胶在裂纹尖端发生应变结晶，结晶阻止裂纹进一步扩展，从而疲劳寿命提高.［3］在动态应变幅值恒定时，应变结晶橡胶的疲劳寿命随最小拉伸应变的增大而延长，直到达到最大值.［1］橡胶产品在使用中通常是小的交变载荷叠加在产品所受的较大静态负荷上，此时受的就是非松弛疲劳载荷，因此在某个范围内提高最小应变可以提高产品的疲劳寿命.最小应变对橡胶疲劳寿命的影响最初由CADWELL等研究［2］，THOMAS［3］在第1次将断裂力学方法应用到橡胶疲劳分析的文章中提到非零最小载荷对疲劳裂纹扩展的影响，后来LINDLEY［4-5］深入研究非零最小载荷对应变结晶橡胶与非应变结晶橡胶的影响.通常认为在非应变结晶橡胶中增大最小应变可能会产生不好的影响，但也不全如此. BATHIAS等［6］对应变结晶的填充硫化天然橡胶和非应变结晶的丁苯橡胶以及呈现部分结晶特性的氯丁橡胶进行分析，结果表明：对于填充天然橡胶，在应力幅不变的情况下，最初疲劳寿命随最小应力增加降低，但当最小应力增加到一定值后疲劳寿命随最小应力的增加而增加；对于非应变结晶的丁苯橡胶疲劳寿命一直随最小应力的增加而减小；对于呈现部分结晶特性的氯丁橡胶，疲劳寿命虽然随最小应力的增加而减少，但当最小应力增加到一定程度时，疲劳寿命的减少变得相对缓慢.ABRAHAM等［7］分析最小应力与应力幅度对非拉伸应变结晶的乙丙橡胶和丁苯橡胶疲劳寿命的影响，结果表明非填充的乙丙橡胶和丁苯橡胶的疲劳寿命不受非松弛载荷影响，在单轴向周期载荷幅值不变时增加最小应力只能减少疲劳寿命，但对于填充的乙丙橡胶和丁苯橡胶，在单轴向周期载荷幅值不变时增加最小应力也可提高疲劳寿命.载荷频率对疲劳寿命的影响还取决于橡胶类型.对于存在拉伸应变结晶的橡胶，在恒温下，频率对疲劳寿命影响较小，至少在0.001 50Hz之内的影响很小；但频率对非应变结晶橡胶影响显著，由于其存在叠加在动态裂纹增长上的时间依赖性的连续性裂纹增长，这部分稳定的连续性增长在频率为0.2Hz以下时非常重要，它的引发可归因于黏弹性效应.［8-9］若应力频率过高，特别是对于厚制品，会生热过大，这时产生破坏的主要原因不再是机械疲劳，而是温度过高引起的降解.对于非应变结晶橡胶，裂纹扩展速率依赖于应变速率，因此会依赖于载荷频率；对于应变结晶橡胶，当撕裂能很大时，频率对裂纹扩展速率的影响也很大.［1］1.2环境影响1.2.1温度温度对非拉伸应变结晶橡胶影响非常大，由于这类橡胶的强度来自于黏弹性.对于未填充的丁苯橡胶，在控制位移疲劳实验中当温度从0ħ升高到100ħ时，疲劳寿命下降104倍.同样温度变化下未填充天然橡胶的疲劳寿命仅减少4倍，当温度更高时，天然橡胶停止结晶，此时裂纹扩展受到温度影响与受到硫化体系变化的影响一样强烈.［9］未填充的丁苯橡胶始终对温度有着强烈的依赖性，但可加入填料减小温度的影响，减小程度取决于填料的种类和用量.上述温度影响未涉及化学反应，其实在很高的温度下，所有橡胶都会降解，导致力学性能下降.中等高温会引起交联键的互换以及新交联键的形成，使橡胶有一定程度的增硬，在更高温度下，网链断裂多于网链形成，伴随着橡胶的结构破坏和网络软化，在非常高的温度下，主链裂解、橡胶碳化和脆化.［10］氧的存在是影响橡胶耐高温性的非常重要的因素.在无氧情况下，多数橡胶都能承受175ħ的高温，而在有氧情况下，橡胶会迅速降解.［2］1.2.2氧气氧气对橡胶机械疲劳至少有2方面影响.［11］（1）氧气溶解或分散在橡胶中可使橡胶氧化老化，大多数工程弹性体共混物在氧化过程中最终变得坚硬脆化.氧化老化不可逆地改变橡胶机械性能，包括疲劳与断裂属性，加快疲劳裂纹扩展速率并降低临界撕裂能，最终缩短疲劳寿命.（2）暴露在氧气中的橡胶会降低机械疲劳裂纹扩展的门槛值.［12-13］在裂纹扩展中氧气的影响与氧化老化有很大区别，因为橡胶本体性质没有恶化，若快速测定弹性体的强度，则断裂是纯机械性的.如天然橡胶或丁苯硫化胶在空气或氮气中测定的拉伸强度就十分接近，在这种情况下，氧气还未有充分的时间改变橡胶网络结构；但在疲劳破坏的情况下，由于破坏涉及到长时间的循环周期，裂纹增长对氧气就显得十分敏感，这时疲56第3期李晓芳，等：橡胶材料疲劳断裂特性研究进展劳裂纹增长速度在空气中比在氮气中快得多.在较低能量释放率下，非填充橡胶若要保持同样的疲劳裂纹扩展速率，在空气中所需的能量释放率仅仅是在真空中的一半，在较高能量释放率下，该差别变得不太明显，氧气的影响可以忽略，但也取决于试验频率，如果频率较低，在较大能量释放率下还存在这种显著的差别，影响程度对于不同的橡胶类型也不相同.GENT等［11］对在空气与真空以及静态和周期载荷下天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶的裂纹扩展速率进行比较发现，对于天然橡胶，在空气与真空中的疲劳裂纹扩展速率相差2倍，对于丁苯和顺丁橡胶相差8倍，且试验表明氧气对疲劳裂纹扩展速率的影响是可逆的，在试验中先充入氧气然后排除氧气，可以观察到裂纹扩展速率先增加后降低.1.2.3臭氧臭氧是影响疲劳裂纹扩展的重要因素之一.空气中臭氧含量为亿分之几时就能逐渐分解弹性体中的碳碳双键，即使载荷恒定也能引起时间依赖性的裂纹扩展，故不饱和橡胶在拉伸情况下暴露于臭氧中，表面迅速出现胀裂，稍微有一点小的应变，就会产生严重破裂并迅速扩展.由暴露在臭氧中的疲劳实验可以发现裂纹扩展速率有很大提高，疲劳寿命明显缩短.［11］对于主链上含有碳碳双键且未加入抗臭氧剂的橡胶，在撕裂能很低的情况下也能引起裂纹扩展.在循环加载过程中，最初裂纹扩展很慢或没有裂纹扩展时，臭氧侵蚀的影响可能占主导地位，当裂纹扩展到一定尺寸后，撕裂能达到机械疲劳裂纹扩展的临界状态时，才使得机械裂纹扩展占据主要地位，臭氧的作用可忽略.臭氧和氧气对橡胶机械疲劳影响的最大区别在于，在很小的应变或很低的能量释放率下臭氧也能加速裂纹扩展.［12］1.3橡胶配方1.3.1橡胶类型弹性体是否属于拉伸结晶橡胶是影响疲劳寿命的主要因素，在上述最小应力对疲劳寿命影响中已经提到拉伸应变结晶对疲劳寿命的影响.具有拉伸应变结晶属性的橡胶有天然橡胶和合成聚异戊二烯橡胶；部分结晶的橡胶有氯丁橡胶；存在少量结晶或没有结晶的橡胶有丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶和乙丙橡胶.拉伸应变结晶橡胶对处于中等或较高应变的疲劳是有益的，且橡胶处于结晶时能降低对环境的敏感性，提高疲劳寿命.拉伸应变结晶橡胶与非应变结晶橡胶十分重要的区别在于，处于静态载荷作用下时，非应变结晶橡胶显示出稳定的裂纹扩展，而结晶橡胶没有出现裂纹扩展现象.对于非应变结晶橡胶，在静态载荷作用下裂纹扩展速率是能量释放率的函数.［14］1.3.2填料在橡胶中加入炭黑能显著提高橡胶强度.［15］填料对疲劳寿命的影响机理是多方面的：加入填料可以显著改变橡胶刚度和滞后属性；填料的非均匀性会引起裂纹尖端钝化、偏转和支化；填料聚集体使橡胶初始有效缺陷尺寸增大.［2］在撕裂能一定的情况下，存在1个最佳填料体积分数，可使裂纹扩展速率最小，当低于这个最佳体积分数时，随着体积分数的增加以及强度和分散性的改善，疲劳寿命相应增加；当超过这个最佳体积分数时，随着体积分数的增加，有效缺陷尺寸的增大明显抵消填料带来的其他好处，从而使总体疲劳寿命降低.［16］2橡胶材料的疲劳寿命分析方法所有固体都必然含有分布于各处的不同形状和大小的缺陷，疲劳破坏就是指材料的这些潜在缺陷在疲劳过程中由于应力集中使缺陷端部的局部应力增加到平均施加应力的许多倍，当某缺陷端部所受的应力达到极大程度时，破坏就从此处开始，随着疲劳次数的增加形成裂纹并逐渐扩展直至断裂.橡胶的某一部分在疲劳载荷作用下，出现可见疲劳裂纹前需要一定的时间，通常称这段时间为疲劳裂纹萌生寿命.一般将疲劳失效过程分为2个阶段：裂纹萌生与裂纹扩展直至断裂，进行疲劳寿命预测也主要从这2个方面进行研究，即疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展寿命.2.1疲劳裂纹萌生寿命对疲劳裂纹萌生过程的研究是疲劳理论中最困难的部分，到目前为止对橡胶疲劳机理的理解仍不很完善.疲劳裂纹萌生寿命主要是从连续介质力学的角度，依据某个材料点的应力应变历史决定材料产生一定尺寸裂纹所需的载荷周期数.预测疲劳裂纹萌生寿命通常采用S-N曲线表征，S表示应力控制试验中所施加的动态应力或应变控制中所施加的应变，还可是应变能密度或等效应力.19世纪60年代，德国铁路工程师WOHLER首次研究铁路机车车轴的疲劳裂纹萌生寿命，CADWELL等［17］在1940年首次将该法用于橡胶材料.如果初始裂纹在很大程度上决定产品的最终寿命，而且比产品尺寸小好几个数量级，或者想研究产品的疲劳寿命空间分布，那就应该分析产品的疲劳裂纹萌生寿命.［18］66计算机辅助工程2010年早期橡胶疲劳研究主要用应变幅度和最小应变来表述橡胶材料的失效载荷周期数.CADWELL 等［17］研究非填料硫化天然橡胶时发现，若应变幅度一定，天然橡胶的疲劳寿命随着最小应变的增加而增加，直到1个中等的最小应变水平（200%），超过这个最小应变后，随着最小应变的增加疲劳寿命又会降低.在轴向与剪切疲劳试验中也发现同样的现象.后来，FIELDING用该法研究最小应变对2种新的合成橡胶的疲劳寿命影响.［18］一般来说，对于应变结晶的橡胶增加最小应变能大大提高疲劳寿命.尽管CADWELL对单轴和剪切试验的疲劳裂纹萌生寿命进行研究，但没有定量调和各种不同应变状态下的结果，或没有发展1种理论将实验室的简单试验结果与复杂的应变历史数据联系起来. ROACH［19］研究简单拉伸和等双轴拉伸下的疲劳寿命，在相同的最大主拉伸率下，简单拉伸的疲劳寿命比等双轴拉伸的寿命长，这个差别在天然橡胶中更显著，对于SBR这种差别要小些.ROACH重新分析这些研究中的数据，认为用其他基于应变的参数，如八面体剪切应变、最大剪切应变，都不能将简单拉伸与等双轴拉伸的数据统一起来.从20世纪50年代后期到60年代早期，疲劳裂纹扩展模型的成功对裂纹萌生寿命法产生很大影响.当断裂力学在橡胶中的应用发展起来以后，应变能密度逐渐成为预测疲劳裂纹引发的参数.［20］在一定条件下，能量释放率正比于应变能密度与裂纹尺寸的乘积，如在简单拉伸试件和纯剪试件中，可认为应变能密度是引发裂纹的能量释放率的度量. ROACH发现，在应变能密度相等的情况下，对于天然橡胶，等双轴拉伸的疲劳寿命比简单拉伸的疲劳寿命长大约4倍，而丁苯橡胶的等双轴拉伸疲劳寿命比简单拉伸疲劳寿命长大约16倍，这与用最大主应变为基准下的比较结果正好相反.ROACH指出，对于简单拉伸，所有的应变能密度都可用于裂纹扩展，而等双轴拉伸只有一半的应变能密度可用于裂纹扩展，这个假设能很好地解释简单拉伸与等双轴拉伸疲劳数据.RO［21］重新分析ROACH的数据，认为高周疲劳应变能密度比其他基于应变的参数更适于作为断裂判据.尽管实际中有许多情形符合ROACH的解释，但RO并没有对ROACH的可利用应变能密度的观点作进一步研究.与其他基于应变的标量判据一样，应变能密度也不能预测实际中裂纹出现的方向，而能量释放率与裂纹扩展方向有关，所以在多轴向载荷下应变能密度不能作为能量释放率的度量.ABRAHAM等［7］分析最小应力和应力幅值对非应变结晶橡胶的疲劳寿命影响，主要研究填充的乙丙橡胶和丁苯橡胶以及非填充的乙丙橡胶和丁苯橡胶在单轴向载荷下的特点，分析结果表明对于未填充的这2种橡胶，最大主应力、最大主应变以及应变能密度都可用作疲劳寿命的判据，且可与单轴向不同应变历史的疲劳寿命数据相联系；但对于填充的乙丙橡胶，只有应变能密度可作为疲劳寿命的判据；对于填充的丁苯橡胶，最大主应变和应变能密度都可作为疲劳寿命的判据.OH［22］以应变能密度为参量预测橡胶衬套的疲劳寿命.在疲劳寿命分析中必须考虑到橡胶制品通常受到的压缩载荷，除纯粹的静水压缩外，1个方向上的压缩载荷常伴随其他方向的剪切或拉伸载荷，尽管垂直于压缩轴的平面趋向闭合，但其他平面处于剪切与拉伸，裂纹往往在这些平面萌生与扩展.最大主应变与应变能密度等疲劳裂纹萌生判据没有考虑在压缩载荷下的裂纹闭合，因此用于涉及压缩载荷的情况特别不可靠.MARS［23］将用于金属材料多轴向疲劳裂纹萌生寿命的危险平面法应用到橡胶的多轴向疲劳分析中，提出裂纹能密度的概念. SAINTIER等［24］用能散分光计和扫描电子显微镜研究天然橡胶疲劳裂纹引发的微观机理，指出如果正确考虑大应变下的材料平面旋转，即使在非比例多轴向应力情况下，裂纹扩展的方向也可通过1个周期中最大第1主应力的方向确定.2.2疲劳裂纹扩展寿命用断裂力学法预测疲劳裂纹扩展寿命一般需2个关系式：一个是裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系，另一个是撕裂能与裂纹尺寸之间的关系.1953年RIVLIN等［25］首次将断裂力学中GRIFFITH提出的基于能量平衡的断裂判据用于分析橡胶材料的裂纹扩展，从而提出撕裂能（应变能释放率）的概念.到目前为止，这种断裂力学方法仍被认为是理解和分析橡胶材料失效最有用的方法.同时，RIVLIN等［25］发现静态裂纹扩展速率依赖于撕裂能，与试件几何形状无关，而且最早使用纯剪试件研究橡胶断裂属性，发现在某个范围内纯剪试件中心裂纹较长时应变能释放率与裂纹长度无关.这些研究发现使得用断裂力学方法研究橡胶材料失效更为便利，因为没有必要去分析裂纹尖端的复杂应力状态，只需用特定橡胶试件分析橡胶撕裂能.后来，这种断裂力学方法扩展到研究天然橡胶在周期载荷作用下的疲劳裂纹扩展.1966年，LAKE等［13］在研究疲劳裂纹扩展速率与撕裂能之间的关系时发76第3期李晓芳，等：橡胶材料疲劳断裂特性研究进展现橡胶存在机械疲劳极限，且疲劳裂纹扩展速率与撕裂能的关系曲线主要包括4个区域，并给出关系表达式.综上所述，利用纯剪试件可测得在一定撕裂能下的疲劳裂纹扩展速率，通过对应区域的关系表达式进行拟合得到裂纹扩展常数，代入撕裂能与裂纹尺寸之间的关系，然后在初始缺陷尺寸和最终破坏尺寸之间对表达式积分，就可预测弹性体的疲劳寿命.对于简单形状的橡胶试件，撕裂能与裂纹尺寸之间的关系可通过试验获得，但是对实际应用中较复杂的几何形状结构可通过有限元法得到撕裂能与裂纹尺寸的关系式.LINDLEY［26］是第1个用有限元法计算撕裂能的学者，他利用有限元法计算几种常用试样以及简单剪切黏结橡胶块的撕裂能与裂纹尺寸的关系；LAKE等［13］利用裂纹扩展法算得拉伸试件的机械疲劳极限；GENT等［27］也用该法研究拉伸试件的疲劳裂纹萌生寿命；YOUNG［28-29］则用该法成功研究轮胎动态疲劳属性；MORMAN等［30］分析带周边裂纹橡胶圆柱在有限变形下的临界撕裂能；HUANG 等［31］将裂纹扩展法用于研究橡胶帘线复合材料疲劳裂纹的引发与扩展；ABOUTORABL等［32-34］研究的1种用于测试的几何体是个黏结在2个钢板中间的橡胶圆片，受到交变的扭转作用，外表面引入的环形裂纹向内沿径向扩展，这种试样涉及剪切变形下的裂纹扩展行为，有限元分析结果以及试验结果与以前发表的类似材料在简单剪切下的数据非常吻合.这些试验中尖端处橡胶的有效厚度都相对较大，当裂纹扩展数据由厚度只有1 2mm的片材得到时，计算结果与试验的一致性表明，此范围内厚度影响不大，因此常规裂纹扩展数据可用于成功预测实际工程应用中的行为.LEICHT［35］分析这种在上下端面与钢板黏结的橡胶圆柱在垂向承受拉压载荷时的情况，利用裂纹扩展和有限元法预测带有沿径向向内扩展的环形界面裂纹和向外扩展的圆形界面裂纹的结构疲劳寿命.EBBOTT［36］和WEI等［37］用有限元法计算承受周期载荷的橡胶轮胎边缘裂纹撕裂能.前者用整体－局部分析法，首先用粗糙网格分析整体轮胎，然后网格细化和重分析所关心的局部；后者的整个分析采用单一网格.在这2个分析中，事先都在有限元模型中设定好裂纹形状，都得到合理的裂纹扩展速率.但用有限元法分析的局限在于每个潜在的失效模式只有1个网格划分，每次网格划分对应1个裂纹尺寸.因此，如果对一系列的裂纹尺寸和不同裂纹形状进行分析需耗费大量计算时间，这对有限元网格全自动适应划分提出更高要求.3结论综上所述，影响橡胶材料疲劳属性的因素众多，要更准确地综合研究橡胶材料的疲劳寿命仍是具有挑战性的课题.对于橡胶材料的机械疲劳分析，主要缺少多轴向疲劳参数判据，目前橡胶材料的多轴向疲劳属性已越来越引起人们的重视.对于工程用橡胶产品主要还是采用S-N曲线作为疲劳寿命预测的依据.由于疲劳试验结果往往具有很大的分散性，材料自身的不均匀性对试验结果影响也很大，还有试件的尺寸、断面形状、表面及棱边的加工条件及光洁度，甚至不同的试验机等都会显示作用效应，使结果产生分歧.为获得可靠而可信的结果，除严格控制各种可能产生影响的条件外，往往还需对试验数据作统计处理，或从一开始就按照统计规律的要求做试验.利用裂纹扩展法的1个难点在于断裂力学的前提是必须预先知道裂纹的初始位置以及裂纹扩展方向、初始裂纹尺寸和导致最后失效的裂纹尺寸，而实际上这些信息一般不可知，或者说这些信息正是设计者必须预测的.由于数值模拟技术的高速发展，对于形状不规则的橡胶产品，可通过有限元分析手段得到撕裂能与裂纹尺寸之间的关系，但往往假设的裂纹形状和扩展方向与实际产品的差别而导致计算误差增大.目前在超弹性断裂力学领域，材料力概念已引起研究人员的高度重视，与物理力不同的是，材料力作用于材料空间，可描述微裂纹或夹杂物等材料中的缺陷.STEINMANN等［38-39］已将材料力概念用于超弹性准静态断裂力学中，并提出用于有限元分析的新算法.该方法仍在继续发展之中，在描述非弹性材料响应以及耦合场和一般损伤动力学等方面将有很大的发展前景.参考文献：［1］ELLUL M D.Mechanical fatigue in engineering with rubber，how to design rubber components［M］.Munich：Carl Hanser Verlag，1992.［2］MARS W V，FATEMI A.Factors that affect the fatigue life of rubber：a literature survey［J］.Rubber Chem＆Tech，2004，77（3）：391-412.［3］THOMAS A G.Rupture of rubber.V.Cut growth in natural rubber vulcanizates［J］.J Polymer Sci，1958，31（123）：467-480.［4］LINDLEY P B.Non-relaxing crack growth and fatigue in a noncrystallizing rubber［J］.Rubber Chem＆Tech，1974，47（2）：1253-1264.［5］LINDLEY P B.Relation between hysteresis and the dynamic crack growth resistance of natural rubber［J］.Int J Fracture，1973，34（9）：449-461. 86计算机辅助工程2010年。