有限元分析所用橡胶弹性特性的表征方法

引言
查尔斯固特异在年发明了橡胶的
硫化方法, 于是, 从十九世纪中叶起橡胶就
成为一项重要的工程材料。橡胶具有良好的
伸缩性和复原性, 因此被广泛地应用于载
重结构的座架、弹簧、密封件、减震的衬套、联
轴器和轮胎。但是, 橡胶与金属不同对金属
的特性进行表征时只需要相对较少的参数
就行了, 而橡胶的特性却是十分错综复杂
的。橡胶的材料特性和几何特性,
都是呈非
线性变化的。橡胶对于温度、周围的介质、应
变随时间的变化、荷载率和应变量等的作用
和影响十分敏感, 因此, 橡胶的机械特性也
就变得更加复杂了。橡胶的加工方法和配合
剂例如填充剂炭黑的类型和用量对性能也
有着显著的影响。在橡胶作为工程材料的发
展史上, 橡胶应用的开发, 大多是靠反复试
验修正法, 通过不断试验、反复摸索才开发
出橡胶的各种应用的, 而并非依靠对橡胶本
反的理解。
为了力图表征橡胶的机械特性, 现已开
发出许多理论模型, 本文将择要予以综述。
所有已开发模型包括最简单的几何形状和
负载方式的封闭式结构的结果总是十分复
杂的。例如, 在弗里德和约翰逊合著的一篇
论文中’, 尽管几何形状极为简单, 他们采用
一个短的轴对称橡胶园柱体来描述橡胶受
压缩行为的方程式也呈现出相当的复杂性。
幸运的是, 数字式电子计算机的出现和
迅速发展, 以及可以在电脑上处理弹性体材
料的有限元分析程序
,
都为我们提供了一种
强有力的手段以进一步深人地研究、了解和
优化在工程技术上应用的橡胶配方。当然,
此类程序的功效是与输人的材料数据的精
确度直接有关的。最为理想的是, 从一系列
各不相关的试验中采集数据, 然而这样做
却要花费相当多的时间和精力。本文后面的
专题研究将进一步说明, 用模拟的多轴向数
据的预测值作为选择龙, 可以提供稳定而义
可靠的数据。
橡胶机械行为的理论上
的表征
为表征橡胶机械行为而作的一切尝试,
可以归纳为两大类一类是根据统计热力学
而进行的尝试, 另一类则是把材料作为一个
连续的统一体来对待的表象学方法。
统计热力学方法’一今是基于以下的观察
结果橡胶弹性力的升高几乎完全是由二随
着施加拉伸后嫡的下降, 这取决于未拉仲橡
胶的高无定形结构具有很高的嫡值这种力
法一般只能判别橡胶分子网络的统计学长
度、排列方向和结构, 但对于更为缓和的应
变此方法似有不足。肖和扬提出, 这种统计
学理论只适用于大约的应变
于是, 大多数的研究工作便把注意力集.......